基于FPGA的視頻監控系統設計與實現

葉倩

摘 要：隨著經濟和社會的發展，無論是在公共還是在個人空間，人們的安全意識越來越高，傳統的鎖已不能滿足其需求，現在市面上的各種監控系統種類繁多，大多采用單片機之類的微處理器實現，監控往往不僅需要報警而且要求對視頻進行采集和存儲，對于監控視頻的大數據量處理，對于單片機來講處理能力往往不足，采用并行的FPGA技術作為處理器將會提升性能，解決數據處理的瓶頸問題，本文設計并實現一種采用FPGA技術實現的視頻監控系統，經過測試驗證本系統具有較高的穩定性，表現出了較好的性能。

關鍵詞：FPGA 視頻監控；并行處理；VGA顯示

中圖分類號： TN4 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-156-2

1 視頻監控系統設計

本視頻監控系統主要由圖像采集終端，視頻轉換接口，VGA顯示終端組成，傳感器OV5620采集到現實景物后，將生成的RAW數據流由ITU 數據輸出端口發送給視頻轉換接口。視頻轉換接口將ITU 數據輸入端口送來的RAW數據流轉換成 RGB 數據流發送，通過VGA端口發送給顯示終端顯示。OV5620輸出圖像的最大分辨率為2592 ×1944。

2 系統硬件設計

硬件電路主要包括CMOS攝像頭傳感器，數據采集模塊，SDRAM存儲模塊，VGA視頻輸出接口模塊。

在現實景物的采集與顯示過程中，視頻轉換接口功能的實現通過以下步驟來完成：

①對采集到的RAW數據流進行轉換。視頻轉換接口收到的是像素的RAW值，因此需要將每個像素的色彩值由RAW空間轉換到 RGB空間，然后再對RGB進行數據平均，輸出RGB數據，實現色彩空間的轉換。②將轉換后的每個像素的RGB值寫入存儲器中。由于視頻的轉換接口和VGA接口的視頻數據流工作的時鐘域是不同的，需要SDRAM來作為緩存，存儲一幀圖像的數據，以供VGA顯示器顯示。③從存儲器中讀出像素的RGB值，并將其轉換成VGA模擬信號值。由于FPGA 內部沒有D/A轉換單元，因此不能通過 FPGA 來直接產生模擬信號，還需要另外添加專門的圖像 D/A芯片（ADV7123）來完成模擬信號的產生。系統工作時，FPGA 將從SDRAM 存儲器中讀出的 RGB值送至圖像DA芯片進行數模轉換變成模擬信號值VGA接口直接輸出，系統就能將圖像在VGA顯示器上直接顯示。

3 系統軟件設計

3.1 攝像頭采集圖像模塊程序設計

攝像頭的采集過程和VGA的顯示恰好是個相反的過程，VGA的顯示是由FPGA產生行列時序，供給D/A轉換器，產生驅動VGA顯示器的模擬信號。而攝像頭的采集圖像是攝像頭自動產生行列信號，用FPGA進行采集就行。在對攝像頭進行采集之前，需要用SCCB協議給攝像頭進行配置，SCCB協議兼容I2C協議，前者寫數據和I2C是一樣的，就是讀數據的時序不一樣。本設計中因為只對攝像頭進行配置，只用到了SCCB的寫協議。

3.2 圖像轉換模塊程序設計

攝像頭數據采集模塊采集到RAW數據，需要轉化為RGB格式的數據，才能夠驅動攝像頭。10位的RAW數據經過空間轉換把10位的采集數據轉換為10位的RGB數據，然后數據進入第二個模塊，對空間轉換的10位RGB數據進行數據平均得到R[9..0]，G[9..0]，B[9..0]，然后RGB數據經過SDRAM進行緩存。采用行緩沖+流水線的處理方式，將前一級抓取到的行數據（bayer color pattern），實時轉換成標準的30位RGB數據并進行適當的下采樣，以便于后繼的圖像處理及顯示。

3.3 SDRAM程序設計

SDRAM在此系統里，充當的是圖像緩存的作用，攝像頭將數據采集進來，將圖像存儲到SDRAM中，然后VGA控制模塊從SDRAM讀出并顯示在VGA顯示器上。核心的代碼如下：

Sdram_Control_4Port u8 （ // HOST Side

.REF_CLK （CLOCK_50），

.RESET_N （1'b1），

.CLK_100OUT （CLOCK_100），

// FIFO Write Side 1

.WR1_DATA （{tCMOS_R，tCMOS_G，tCMOS_B}），

.WR1 （tCMOS_DVAL），

.WR1_ADDR （0），

.WR1_MAX_ADDR （1280*960），

.WR1_LENGTH （9'h100），

.WR1_LOAD （wSYNC），

.WR1_CLK （CMOS_PIXCLK），

// FIFO Read Side 1

.RD1_DATA （{Image_Read_R，Image_Read_G，Image_Read_B}），

.RD1 （VGA_Read_Req），

.RD1_ADDR （0），

.RD1_MAX_ADDR （1280*960），

.RD1_LENGTH （9'h100），

.RD1_LOAD （！DLY_RST_0），

.RD1_CLK （VGA_CTRL_CLK），

// SDRAM Side

.SA （SDR0_ADDR），

.BA （SDR0_BA），

.CS_N （SDR0_CS_N），

.RAS_N （SDR0_RAS_N），

.CAS_N （SDR0_CAS_N），

.WE_N （SDR0_WE_N），

.DQ （SDR0_DQ），

.DQM （SDR0_DQM）

，.SDR_CLK （SDR_CLK）

）；

assign SDR0_CLK = SDR_CLK；

wire VGA_Read_Req，VGA_VS；

wire [9：0] Image_Read_R；

wire [9：0] Image_Read_G；

wire [9：0] Image_Read_B；

assign GPIO0[27] = VGA_CTRL_CLK；

assign GPIO0[28] = VGA_VS；

4 系統測試及結果

VGA控制模塊負責從SDRAM讀取圖像數據（RGB），然后驅動D＼A轉換器ADV7123在VGA顯示器上顯示對VGA模塊進行仿真。

5 總結

本文從系統設計，到各個模塊的軟硬件進行了詳細的設計，經反復調試仿真，最終在FPGA平臺上進行實現，充分發揮了FPGA技術的并行處理技術，經測試達到了實時有效監控的要求。

參 考 文 獻

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