一種嵌入式的實時視頻采集系統(tǒng)

1 引言

隨著中國機器人產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,據(jù)預(yù)測到2010年,市場容量將超過93.1億人民幣。智能移動機器人是在室外環(huán)境中，將視頻圖像采集回來之后，按照預(yù)先給定的目標任務(wù)，結(jié)合已知的地理信息做出路徑規(guī)劃，在行駛的過程中能夠不斷感知和判斷周圍的環(huán)境信息，自主地做出各種決策，隨時調(diào)整自身的行駛狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作[1]。在這個過程中，視頻采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個系統(tǒng)的運行，是進行后續(xù)數(shù)字圖像處理的前提條件。因此，必須有高性能的硬件設(shè)備和高質(zhì)量的算法作為基礎(chǔ),實時視頻采集才成為可能。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式實時視頻采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小，功耗低，速度快，適應(yīng)性好，能夠滿足智能移動機器人視頻信號處理系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)基本原理

圖1為系統(tǒng)工作原理框圖，整個系統(tǒng)所需各種芯片的電路連接如下圖所示，由CCD攝像頭輸出模擬視頻信號，經(jīng)過視頻解碼芯片SAA7111A進行視頻預(yù)處理（鉗位、放大、A/D轉(zhuǎn)換、同步分離等)后輸出圖像數(shù)字信號IPD、行同步信號HREF、場同步信號VREF、奇偶場標志信號RST0和 13.5MH像素時鐘信號LLC2去驅(qū)動FPGA，從而產(chǎn)生正確的圖像采集時序和存儲地址，并將采集的圖像存儲到雙口RAM中。整個系統(tǒng)由視頻采集控制和幀存讀寫控制兩個核心模塊組成，它們的功能都由FPGA來實現(xiàn)。雙口RAM分為幀存A和幀存B兩個存儲區(qū)域，實現(xiàn)乒乓式的讀寫操作，能夠完成圖像的實時采集。SAA7111A的配置程序和FPGA采集控制程序存儲在FLASH中，系統(tǒng)上電工作時加載。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

3 圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1視頻信號

視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號（幀同步信號）、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因而，對視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜。Philips公司將這些非常復(fù)雜的視頻A/D轉(zhuǎn)換電路集成到了一塊芯片內(nèi)。從而生產(chǎn)出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7111A,為視頻信號的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

3.2 SAA7111A 性能及工作協(xié)議

SAA7111A是PHILIPS公司的一種增強型視頻輸入處理器芯片，它集A/D與解碼功能于一身，片內(nèi)還附有鎖相、自動鉗位控制、時鐘自動增益產(chǎn)生、多制式解碼等電路，另外還可對亮度、對比度和飽和度進行控制[2]。既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式。SAA7111A內(nèi)部含有I2C接口，可簡潔的通過I2C總線對SAA7111A的工作方式進行設(shè)定。SAA7111A的場同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場信號RST0、像素時鐘信號LLC2都由引腳直接引出，從而省去了以往時鐘同步電路的設(shè)計，其可靠性和方便性有了很大的提高。

圖2所示為SAA7111A的功能方框圖。從SAA7111A的四個模擬輸入端AI11,AI12, AI21, AI22輸入的視頻圖像信號，經(jīng)模擬處理后，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生數(shù)字色度信號和亮度信號，分別進行亮度信號處理和色度信號處理。亮度信號處理的結(jié)果一路送到色度信號處理器，進行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號，經(jīng)格式化后從VPO(16位)輸出；另一路進入同步分離器，經(jīng)數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的行和場同步信號HS和VS，同時PLL驅(qū)動時鐘發(fā)生器，產(chǎn)生與HS鎖定的時鐘信號LLC和像素時鐘信號LLC2。所有這些功能均是在I2C總線控制下完成的，其中SCL為串行時鐘信號，SDA為串行數(shù)據(jù)信號。