0 引言

    隨著社會的不斷發(fā)展，視頻圖像采集處理技術(shù)在許多行業(yè)領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色,，如軍事,、安全監(jiān)控、工業(yè)視覺等領(lǐng)域,，而各行各業(yè)對于視頻圖像采集和處理技術(shù)的要求也越來越高,。高速、實(shí)時性是主要發(fā)展趨勢之一,。目前,，視頻圖像采集與處理技術(shù)的發(fā)展主要分為兩類：一是基于PC在相關(guān)特定的PCIe采集板卡的基礎(chǔ)上，通過軟件對視頻圖像進(jìn)行處理,；二是利用相關(guān)的集成硬件如DSP,、MCU、FPGA等對視頻圖像進(jìn)行采集處理^[1],。相對來講后者的處理效果不如前者,，但實(shí)時性好、體積小,、方便使用,，更適合于工業(yè)的需求。

    FPGA現(xiàn)場可編程邏輯門列,，采用并行運(yùn)算模式,，且工作頻率較高，可對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時操作與處理,，在通信領(lǐng)域,、圖像處理等方面上優(yōu)勢明顯^[2]。因此,，本設(shè)計(jì)選用FPGA作為系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理中心,。

1 系統(tǒng)總體概述

    基于FPGA的視頻采集處理系統(tǒng)可分為：視頻采集模塊、圖像存儲模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊和圖像顯示模塊,。工作過程為：首先,，F(xiàn)PGA通過IIC總線協(xié)議對攝像頭進(jìn)行初始化配置，攝像頭對焦工作拍攝采集圖像,，然后,，采集的視頻數(shù)據(jù)通過FIFO緩存器不斷寫入到DDR2 SDRAM中存儲，再經(jīng)過FIFO緩存器讀出視頻數(shù)據(jù),，接著,，選擇性對讀出的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在VGA上顯示視頻圖像,。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,。

2 中央控制單元

2.1 FPGA

    從FPGA硬件開發(fā)的角度考慮，利用EDA開發(fā)軟件和硬件描述語言Verilog編程,，對FPGA芯片進(jìn)行開發(fā),，得到其工程要求的硬件功能。對比傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)開發(fā),，減少了器件的浪費(fèi)和多次焊接的工作量,，設(shè)計(jì)過程也更加靈活、方便,、高效,。

    另外，F(xiàn)PGA要實(shí)現(xiàn)對每個模塊的控制和處理,，除并行數(shù)據(jù)處理優(yōu)點(diǎn)外,，自身必須擁有較多I/O口,，豐富的邏輯單元等,。鑒于此，選用了Alter公司研發(fā)的Cyclone IV系列的EP4CE617C8,。此款FPGA擁有179個I/O接口,，62 792個邏輯單元，392個乘法器,，且功耗低,。

2.2 視頻圖像采集模塊

    CMOS OV7670圖像傳感器，其體積小,，工作電壓小,，640×380像素，可選用自帶的降噪,、數(shù)模轉(zhuǎn)換,、分頻等功能，是較好的視頻圖像采集選擇,。FPGA通過IIC總線協(xié)議與CMOS攝像頭進(jìn)行初始化配置,。IIC總線寫入前,，CMOS攝像頭的SCLK和SDAT引腳必須帶上拉電阻。IIC總線寫入時,，首先寫入設(shè)備地址,，CMOS的初始地址為0x42，其次寫入寄存器地址,，最后寫入數(shù)據(jù),。其IIC總線數(shù)據(jù)寫入流程如圖2所示。

    IIC總線與CMOS的數(shù)據(jù)通信后,，配置CMOS攝像頭控制寄存器,。時鐘配置使用外部時鐘即FPGA的工作時鐘頻率，目的是更好地控制CMOS攝像頭,。PLL寄存器配置零分頻,、使能內(nèi)部線性穩(wěn)壓器LDO，內(nèi)部電壓工作穩(wěn)定,。配置的Verilog部分代碼分別依次為：

    SET_OV7670+19 ： LUT_DATA=16'h1180,；

    SET_OV7670：5 ： LUT_DATA=16'h6b00；

    其他相關(guān)控制寄存器中,，配置了水平鏡像,、關(guān)閉彩條、視頻格式RGB565等功能,。保證其能在系統(tǒng)高速運(yùn)行下采集到可靠度大,、信息性強(qiáng)的視頻圖像數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)存儲模塊

2.3.1 DDR2 SDRAM

    DDR2 SDRAM作為系統(tǒng)存儲器,，選用采用1 GB內(nèi)存的DDR2 800系列 SDRAM作為存儲器,。DDR2工作時鐘頻率為200 MHz^[2]，具有讀寫速度快,、集成度高,、存儲容量大以及成本低等特點(diǎn)。其操作速率是普通SDRAM的4倍,，能夠較好地達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時性的要求,。

    DDR2不僅能在系統(tǒng)時鐘控制下工作，也可以獨(dú)立的進(jìn)行操作,，如自刷新,、自預(yù)充電凈化等，其控制復(fù)雜^[3],。因此,，利用Quartus II自帶的IP核構(gòu)建DDR2 SDRAM控制器。同時也生成了Altera數(shù)字PHY,。PHY是連接DDR2 內(nèi)核控制器和外部DDR2器件的橋梁,。PHY擁有四層接口,，分別為帶local_*類的用戶邏輯接口、帶mem_*類的外部DDR2芯片接口,、帶ctl_*和ctl_mem_*的PHY與IP控制器相互連接的接口,。其功能框圖如圖3所示。

    IP內(nèi)核控制器的使用將DDR2復(fù)雜的控制操作轉(zhuǎn)變成用戶簡單的讀寫時序操作,，因此,，DDR2存儲模塊可設(shè)計(jì)分為時鐘、復(fù)位,、初始化,、控制、數(shù)據(jù)通道和仲裁等子模塊,。其中數(shù)據(jù)通道子模塊建立了DDR2連接FIFO緩存器的通道,。

2.3.2 FIFO

    FIFO是一種先入先出的存儲器，沒有地址定義,，使用簡單,。FIFO只能順序讀寫數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)的安全性,。由此,，在多數(shù)情況下作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖器使用^[5]。

    在Quartus II的內(nèi)核中,，建立異步FIFO的控制器,。異步FIFO，即讀寫操作時鐘信號不一致,，有利于圖像數(shù)據(jù)的緩沖,。wrusedw信號控制著數(shù)據(jù)的讀寫請求。當(dāng)wrusedwd等于FIFO深度值4時(為方便說明,，仿真的FIFO深度為4),，表示FIFO已空，Write_Req信號有效,，只能寫入數(shù)據(jù)。wrusedw為0,，表示FIFO已滿,，Read_Req信號有效，只能讀出數(shù)據(jù),。wrusedwd為其余值,，則讀、寫數(shù)據(jù)請求都可執(zhí)行,。如圖4所示,。

3 視頻圖像處理模塊

    本文通過Sobel邊緣檢測對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。邊緣檢測意義在于能夠獲取目標(biāo)物體的邊緣信息，有利于目標(biāo)識別和追蹤^[6],。Sobel邊緣檢測算法具有計(jì)算量小,、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，也是最常用的圖像邊緣處理方法之一,。

    Sobel邊緣檢測算法過程：首先,，確立Sobel算子模板，它包含了橫縱向兩組3×3運(yùn)算算子矩陣模板,。如下式：

    其次,，利用水平和垂直方向的矩陣算子與原始圖像像素點(diǎn)進(jìn)行平面卷積分運(yùn)算，算出X,、Y兩個方向上的一階導(dǎo)數(shù)梯度值^[7],，如下式：

    然后，把計(jì)算出的X,、Y方向梯度值做平方求和后再開方,，得到中心點(diǎn)的梯度值。如下式：

    最后,，中心點(diǎn)梯度值與設(shè)定的閾值互相比較,，大于閾值的為邊緣點(diǎn)，輸出為黑色,，小于閾值的為普通點(diǎn),，輸出為白色^[8-9]。

    Sobel邊緣檢測的實(shí)現(xiàn)包括緩沖模塊,、計(jì)算卷積模塊和門級處理模塊,。其中，緩沖模塊使用基于RAM的移位寄存器altshift_taps,，卷積計(jì)算模塊使用6個可編程乘加器aitmult_add和2個并行加法器parallel_add計(jì)算出水平和垂直的梯度值,，再通過浮點(diǎn)平方根altfr_sqrt得到中心點(diǎn)值。門級處理模塊即閾值的比較^[10],。原理過程如圖5所示,。

4 實(shí)驗(yàn)

    完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，保存工程文件,。并繪制電路原理圖和PCB圖,。最后，制作電路板,。完成所有工作后,，建立系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

    實(shí)驗(yàn)一：實(shí)時視頻圖像采集顯示實(shí)驗(yàn),。首先,，F(xiàn)PGA控制CMOS 7670采集圖像；然后,，F(xiàn)PGA對采集圖像數(shù)據(jù)傳輸和存儲,；最后，通過VGA顯示圖像,。其畫面清晰,、流暢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,。

    實(shí)驗(yàn)二：Sobel邊緣檢測算法處理視頻圖像顯示實(shí)驗(yàn),。在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，增加了對圖像數(shù)據(jù)的Sobel邊緣檢測處理,，再通過VGA進(jìn)行顯示,。圖像中物體輪廓提取明顯，且實(shí)時性較好,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,。

5 結(jié)論

    實(shí)時視頻圖像采集與處理技術(shù)廣泛用于監(jiān)控、工業(yè)視覺等領(lǐng)域,。本系統(tǒng)以FPGA核心,，充分利用其高速、大數(shù)據(jù)處理能力和硬件編程設(shè)計(jì)等特點(diǎn),，結(jié)合相關(guān)器件,，實(shí)現(xiàn)了對視頻圖像的采集、處理和顯示,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫面清晰,、流暢，效果好,。同時在此基礎(chǔ)上,，增加了對物體的邊緣檢測，在物體追蹤和識別方面也具有一定的實(shí)用意義,。

參考文獻(xiàn)

[1] 田杰,，玉廣龍，喬中濤,，等.基于FPGA高速視頻圖像實(shí)時采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,，2016，39(3).

[2] 王誠,，蔡海寧，吳繼華.Alter FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 李原.DDR/DRR2接口的FIFO設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué),，2009.

[4] 吳厚航.例說FPGA：可直接用于工程項(xiàng)目的第一手經(jīng)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2016.

[5] 梅傲寒.基于FPGA的無線圖像采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2016.

[6] 丁繼生.基于FPGA的數(shù)字圖像處理算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),，2015.

[7] 羅琳.基于FPGA的快速圖像處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶交通大學(xué),，2015.

[8] 馬苗，樊養(yǎng)余,，謝松元,，等.基于灰色系統(tǒng)理論的圖像邊緣檢測新算法[J].中國圖像圖形學(xué)報，2003,，10（10）：1136-1139.

[9] 仝海峰.基于FPGA的視頻圖像邊緣檢測優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].淮南：安徽理工大學(xué),，2016.

[10] 張麗紅，凌朝東.基于FPGA的Sobel邊緣檢測應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2011,，37(8).