淺談不同視頻采集處理系統的選擇

白樺林+李磊

【摘 要】 視頻采集處理系統作為視頻器最重要的前提，前端的圖像采集速度及質量和圖像處理系統后端的算法處理及應用直接影響到視頻器的實用性。本文提出四種不同的視頻采集處理系統并對不同視頻采集處理系統的優劣和實用性進行分析。

【關鍵詞】 視頻采集 處理系統 實用性

1 引言

隨著計算機技術和人工智能、思維科學研究的迅速發展，數字圖像處理向更高、更深層次發展。人們已開始研究如何用計算機系統解釋圖像，實現類似人類視覺系統理解外部世界對于不同種類設計的選擇。本文就常見的幾種視頻采集處理系統的設計方案及優劣進行簡單的分析。通常應用于課題設計的方案主要有以下幾種：基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統、基于ARM的視頻采集處理系統、基于SOC的視頻采集處理系統、基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統等。

2 設計方案

2.1 基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統

系統由視頻信號轉換模塊、視頻數據計算模塊和通信模塊組成。視頻信號轉換模塊主要由A/D轉換芯片來完成，實現視頻信號由模擬信號向數字信號的轉換、圖像信號與其他信號的分離、視頻信號的格式轉換等，最終提供可以處理的數字視頻數據。視頻數據計算模塊由DSP來完成。通信模塊實現與外界的數據交換。DSP芯片是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，DSP一般具有如下主要特點：

（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；

（3）片內具有快速RAM，可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；

（4）具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持；

（5）硬件I/O支持和快速中斷處理；

（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；

（7）多個操作可以并行執行；

（8）流水線操作方式可以使取指、譯碼和執行等操作重疊執行。

2.2 基于ARM的視頻采集處理系統

系統中FPGA主要對外部SDRAM、FLASH等外部設備進行控制，主要負責數據的采集、存儲等功能。數據處理、顯示由ARM系統來實現。采用RISC（精簡指令集）架構的ARM微處理器一般具有如下特點：

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位、16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執行速度更快；

（4）大多數數據操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高；

（6）指令長度固定。

2.3 基于SOC的視頻采集處理系統

SOC主要理念是軟硬件協同處理信息，充分發揮硬件實時處理和軟件功能靈活的優勢。SOC是一種高度集成化、固件化的系統集成技術。它采用IP Core進行設計，核心思想就是要把整個數字信號處理系統全部集成到一個芯片中。

2.4 基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統

FPGA具有靜態可重復編程和動態系統重構的特性，還具有高可靠性、高速、開發周期短、使用靈活、質量穩定等優點。FPGA的本質是可編程邏輯門陣列。整個系系統都是rilog代碼來實現各種需要的操作，最終以純硬件算法來實現視頻的疊加處理和顯示。系統數據源可以由攝像頭拍攝也可以由微機提供，還設計了一個FLASH芯片，就是用來存儲固定的圖像字符用的。

3 方案選擇

基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統優點包括設計比較靈活，能對圖像進行比較復雜的處理，而且運算的速度比較快；缺點是制作系統成本比較高，電路的設計復雜，適用于對靈敏度要求較高的系統。

基于ARM的視頻采集處理系統優點有：ARM系統上帶有操作系統，減少了開發周期，外部接口豐富，便于數據的采集和控制。缺點如下：系統中的FPGA芯片主要負責對外部SDRAM、FLASH等外部芯片的控制，主要負責數據的采集、存儲等功能，而數據的處理，顯示等交給ARM來實現，導致系統結構復雜，通信量大，整體性能差。

基于SOC的視頻采集處理系統優點：SOC技術已完全不同于傳統的系統設計理念，它能夠用硬件描述語言抽象的描述系統，具有高智能的集成開發環境以及大容量的存儲器件。基于SOC開發平臺是SOC技術的發展趨勢，這種設計是可以達到最大程度系統重用的面向集成的設計方法，分享IP核開發與系統集成成果，不斷重整價值鏈，在關注面積、延遲、功耗的基礎上，向成品率、可靠性、EMI噪聲、成本、易用性等轉移，使系統級集成能力快速發展。缺點：SOC芯片的規模很大，由于深亞微米工藝帶來的設計困難等，使得SOC的設計相當復雜。在SOC設計中，最復雜、最耗時的環節是仿真與驗證，約占整個芯片開發周期的50%--80%，采用先進的設計與仿真驗證方法成為SOC設計成功的關鍵。

基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統設計比較靈活，產品體積小，能對圖像進行比較復雜的處理。由于FPGA的高速高精度、運算能力極強、并行運算能力還有其在數字領域“無所不能”的地位，在未開發領域，以及處理器無法實現的研究中，用FPGA來實現高速算法，實現用CPU無法實現的指標。尤其適用于旨在研究高速圖像顯示控制器，以及存儲系統，涉及到的畫面重疊、半透明、OSD的硬件實現算法的研究。由于其掃描速度快，精度高，用FPGA設計顯示控制器，不僅在設計上能夠突破瓶頸，極大地降低成本，而且使得視頻顯示系統更加靈活，便于優化升級。另外系統的FPGA設計以其可靠性、先進性、高效性、體積小、靈活性強等特點，逐步成為設計者的首選。隨著對視頻疊加要求的提高，很多領域要求在視頻圖像上疊加各種復雜的圖形并且要求精度高和可靠性好，以往的單片機控制的視頻疊加系統已經逐步不能滿足要求，而FPGA設計的圖像處理系統可以高效的完成任務。

參考文獻：

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