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        基于ADV7180的視頻圖像實時采集系統(tǒng)的設(shè)計

        2011-06-07 05:53:28藺志強孟令軍彭晴晴
        電視技術(shù) 2011年17期
        關(guān)鍵詞:寄存器解碼灰度

        藺志強,孟令軍,彭晴晴

        (中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室;電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西 太原 030051)

        0 引言

        隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,一些工作環(huán)境或者易發(fā)生事故的場所不允許人們直接觀察和操作。圖像采集系統(tǒng)以其實時性和真實性發(fā)揮了重大作用,圖像采集系統(tǒng)是一種集圖像采集、顯示和存儲為一體的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。本文基于ADV7180設(shè)計了一種集圖像顯示與圖像存儲的實時監(jiān)測系統(tǒng),以方便人們了解實際情況并通過分析做出決策,為環(huán)境保護(hù)和人類生命財產(chǎn)安全提供了保障。

        1 圖像實時采集系統(tǒng)構(gòu)成

        CCD攝像頭以其靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點成為本文采集模塊的首選,而CCD攝像頭的輸出格式分為PAL制式和NTSC制式,示波器檢測結(jié)果如圖1所示,使用的攝像頭為PAL制式,標(biāo)準(zhǔn)的PAL電視每秒顯示50場,即圖像輸出頻率為50 Hz。一行圖像數(shù)據(jù)為64 μs。

        2 基本原理和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        本文主要完成了對采集的PAL制式圖像的顯示與存儲,由于環(huán)境變化迅速,采用灰度圖像顯示實時監(jiān)測的內(nèi)容,可以提高顯示的靈敏度。對需要分析的特定時刻,可以采集彩色圖像并存儲以便進(jìn)行分析。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,由CCD采集圖像數(shù)據(jù)經(jīng)ADV7180解碼為標(biāo)準(zhǔn)的4∶2∶2數(shù)據(jù)流,通過對亮度信號的提取,實現(xiàn)了灰度圖像的顯示,而灰度圖像不易于分析,所以設(shè)計了一個采集控制開關(guān),采集一幀彩色圖像存入SDRAM并經(jīng)過一系列的編碼轉(zhuǎn)換,通過VGA接口送到相連的顯示設(shè)備進(jìn)行分析。由于PAL制式的一幀圖像分為奇數(shù)場和偶數(shù)場,所以設(shè)計了兩個FIFO,將奇數(shù)場和偶數(shù)場分別存入兩個FIFO,利用乒乓結(jié)構(gòu)讀取兩個FIFO中的數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)的存儲速度和可靠性。

        3 ADV7180視頻解碼芯片的硬件實現(xiàn)

        3.1 ADV7180標(biāo)清視頻解碼器性能簡介

        設(shè)計中實現(xiàn)模擬圖像信號到數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換的ADV7180為ADI公司推出的一款10位、4倍過采樣的視頻圖像解碼器,它可以采樣NTSC,PAL和SECAM格式的模擬視頻信號。通過正確配置后芯片自動檢測輸入格式,并將其轉(zhuǎn)換為與ITU-R.656接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的YCbCr 4∶2∶2的8位分量視頻圖像數(shù)據(jù)。

        3.2 ADV7180配置的FPGA實現(xiàn)

        ADV7180的正常工作需要通過I2C總線的正確配置。配置完成以后,芯片檢測到啟動信號后就開始工作。啟動芯片正常工作的關(guān)鍵是對ADV7180各寄存器的正確配置。ADV7180通過I2C總線配置寄存器的時序如圖3所示。

        設(shè)計采用的CCD攝像頭輸出的是PAL制式的視頻信號,ADV7180視頻輸入模式要采用CVBS輸入模式,并使能AIN1作為視頻信號輸入口,檢測模式采用自動檢測模式。從CVBS端口引進(jìn)的視頻信號的構(gòu)成除了包含圖像數(shù)據(jù)信號之外,還包含行同步信號、場同步信號、行消隱、場消隱等信號,芯片可以自動進(jìn)行處理,系統(tǒng)只要檢測相應(yīng)的信號啟動相應(yīng)操作就行,不需要系統(tǒng)對其進(jìn)行干預(yù)[2]。系統(tǒng)上電復(fù)位后,SCLK和SDATA保持為高電平,當(dāng)FPGA將SDATA由高拉低時,就啟動一次I2C對ADV7180的寄存器配置,正確配置成功就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能,設(shè)計需要配置的寄存器如表1所示。

        設(shè)計用FPGA模擬I2C主端口,發(fā)起對ADV7180從端口的配置,首先發(fā)出一個8 bit的設(shè)備地址(0x40),在收到地址配置完成信號后,再輸出8 bit寄存器地址(7 bit地址和1 bit讀寫信號),在第9個時鐘脈沖時將SDATA數(shù)據(jù)線拉低,提示寄存器地址寫成功后,主端口根據(jù)讀寫信號將8 bit數(shù)據(jù)寫入或者讀出相關(guān)寄存器。

        4 系統(tǒng)其他功能模塊的FPGA實現(xiàn)

        4.1 圖像數(shù)據(jù)解碼模塊設(shè)計實現(xiàn)

        攝像頭采集到的模擬視頻圖像信號經(jīng)由ADV7180解碼后得到4∶2∶2的YCbCr數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)流,圖像行、場等同步控制信號都內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)流中,每行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        最開始為4 byte的有效視頻數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志EAV信號,其后的280 byte的8010為固定填充數(shù),視頻數(shù)據(jù)信號的排列順序為Cb-Y-Cr-Y逐個排列,最后為4 byte的有效視頻起始標(biāo)志SAV信號。FF,00,00為SAV和EAV信號的3 byte前導(dǎo),最后的1 byte XY表示區(qū)分SAV,EAV。具體XY的各個比特位的含義為最高位7 bit為固定值1;6 bit F=0表示偶數(shù)場,F(xiàn)=1表示奇數(shù)場;5 bit V=0表示該行有效視頻數(shù)據(jù),V=1表示該行沒有有效視頻數(shù)據(jù);4 bit H=0表示為SAV信號,H=1表示為EAV信號;P3~P0為保護(hù)信號,由F,V,H信號計算生成;P3值為V異或H;P2值為F異或H;P1值為F異或V;P0值為F異或V異或H。

        奇數(shù)場的有效數(shù)據(jù)以FF0000C7開始,以FF0000DA結(jié)尾;無效數(shù)據(jù)是以FF0000EC,F(xiàn)F0000F1結(jié)尾;偶數(shù)場的有效數(shù)據(jù)是以FF000080開始,以FF00009D結(jié)尾;無效數(shù)據(jù)是以FF0000AB,F(xiàn)F0000B6結(jié)尾。

        4.2 Y分量圖像的提取

        解碼芯片656輸出格式亮度與色度關(guān)系如圖5所示,為了顯示灰度圖像,可設(shè)計一個計數(shù)器對Y分量進(jìn)行提取,結(jié)合圖4和圖5可知,忽略CbCr色度信息,當(dāng)計數(shù)器為偶數(shù)時,將Y變量賦值給灰度圖像變量,通過VGA控制器即可顯示所對應(yīng)的灰度圖像。

        5 圖像數(shù)據(jù)由YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換

        VGA接口的PC顯示器和LCD顯示器的都是基于RGB三基色的,而ADV7180解碼后得到的是YCbCr 4∶2∶2格式的圖像數(shù)據(jù)[3]。所以,首先需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YUV 4∶4∶4數(shù)據(jù)格式,然后進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換,將YUV格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成RGB色彩空間的格式數(shù)據(jù),具體轉(zhuǎn)化形式為

        6 實驗結(jié)果驗證

        使用Quartus II下的嵌入式邏輯分析儀Signal TapⅡ?qū)2C配置ADV7180進(jìn)行檢測,測試結(jié)果如圖6所示。

        根據(jù)表1和圖3,可以看出I2C端口ADV7180配置寄存器地址和數(shù)據(jù)都正確。用示波器對ADV7180的輸出信號VS,HS進(jìn)了檢測,如圖7和圖8所示。

        可以看到ADV7180正確啟動并工作正常,其輸出的所有信號都符合設(shè)計要求。Signal TapⅡ邏輯分析儀檢測到的亮度信號提取結(jié)果如圖9所示。

        灰度圖像的顯示結(jié)果如圖10所示。

        7 小結(jié)

        本文設(shè)計了一種基于ADV7180的圖像采集顯示及分析系統(tǒng),介紹了ADV7180的配置以及灰度圖像的提取與顯示,并且利用開關(guān)實現(xiàn)了一幀色度圖像的存儲。實驗表明,灰度圖像的顯示提高了實時采集的速度,色度圖像的存儲為分析提供了依據(jù),為決策作出了保障。在實際的運用中,發(fā)現(xiàn)色度圖像的存儲速度和畫面質(zhì)量還有待提高,圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理將進(jìn)一步研究。

        [1]唐紅雨,陳迅.高速圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].電子技術(shù),2006(12):56-60.

        [2]湯少為.基于FPGA控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

        [3]沈庭芝,方子文,王衛(wèi)江,等.數(shù)字圖像處理及模式識別[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

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