基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統的硬件構建

張大禹

摘要：本文圍繞基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統的硬件系統展開分析，從不同的層面展開對其架構和功能的探討。

關鍵字：FPGA;DSP;視頻;圖像系統

在實際的應用環境中，高效的視頻編解碼技術有著廣泛的應用，尤其是當前無人機對于各類工作的廣泛深入，更加使得民用測繪以及軍用偵測等領域，都對視頻圖像處理技術提出了更為迫切的要求。無論何種應用場景，都要求能夠將無人機在高空中拍攝的地面圖像發送回地面，并且進一步展開處理。相對于民用系統而言，軍用的要求明顯更為嚴格。從高空中獲取到的圖像數據，其數據幀內的目標像素都比較小并且目標數量大，這就要求盡可能大的提升圖像分辨率，以獲取到關于地面的更多情況。但是與此同時，隨著分辨率增加的是需要傳輸的數據總量，這無疑與當前相對而言比較有限的無線帶寬資源形成矛盾。在這樣的背景之下，不僅僅需要發展出更為有效的無線數據傳輸方式，高效的視頻編解碼技術更是成為核心重點，直接關系到解析圖像本身的效果。對于需要多路視頻傳輸，并且整體數據率固定的情況下，可以考慮降低單路視頻分辨率或者提升單路壓縮比來展開工作。想要實現這種工作方式，系統應當能夠實現對于分辨率和壓縮比的動態調整和切換，在提升靈活性的同時面向實際需求展開服務。除此以外，無人機與地面的通信過程中，還需要接收地面傳送向無人機的指令并且加以落實，這些數據同樣要求比較高的實時性特征。如果將這些數據與視頻數據放在兩個獨立信道，則傳輸工作的整體效率就會有所降低。因此如何構建一個包括傳統遙測數據和視頻數據的廣義遙測系統成為必需。

一、基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統框架建設

在FPGA+DSP兩項技術的共同支持之下，整個高清視頻圖像系統架構可以參見圖1。具體而言，就是大體劃分為兩個部分，即機載設備端的系統和地面設備端的系統，二者之間通過無線通信網絡進行數據的傳輸和交換。

從圖1中可以看到，對于機載設備端而言，經由影像傳感器獲取到的視頻模擬信號數據，將交由AD進行處理，并且轉化成為數字信號傳遞給FPGA，在經過FPGA的預處理之后，生成原始數字視頻數據送達DSP進行視頻編碼。完成編碼之后，將壓縮碼流回傳給FPGA，并且與下行遙測數據組幀后進入調制部分。同時上行遙控指令也在FPGA環節中對圖像分辨率以及視頻碼率等參數細節展開控制。

而在地面站端，經過一系列處理的機載系統，在通過通信網絡將數據傳輸至地面站端的時候，調制數據首先進入FPGA，實現視頻數據與遙測數據的分離，并且展開分別處理。其中視頻數據經過PCI9054，通過CPCI接口傳輸給上位機，由上位機來實現對于視頻壓縮碼流的實時解碼播放以及存儲回放。

二、視頻系統的硬件職能分析

對于這樣的一個視頻系統，其硬件構建過程中需要重點注意三個方面：

1.機載端視頻采集

對于模擬信號的采集工作而言，為了確保信號質量，通常采用分量輸出格式加以實現，例如亮度信號Y以及色差信號Cr、Cb等，并且場同步和行同步信號可采取疊加在分量信號上的內輸出。一個比較典型的系統結構中，可以選用720p格式，25幀/s，并且可以考慮選用TI公司的ADC芯片來實現模數轉換。參見圖2。

2.機載端DSP+FPGA處理器

對于機載端而言，其職能主要在于實現數字視頻信號的獲取，以及視頻壓縮編碼和遙控遙測接口功能。在這個體系中，DSP本身即具有良好的數字信號處理能力，而FPGA則具備大規模邏輯設計能力，因此以這兩個技術作為根基展開結構建設，能夠基本滿足機載端的需求。其大體結構參見圖2。

從功能上看，這一部分需要重點承擔起三個方面的職能，即數字視頻的獲取、DSP與FPGA之間的通信以及遙控與遙測。對于數字視頻的獲取而言，FPGA通過ADC輸出的同步信號來確定視頻數據的起始點，對原始視頻數據進行接收并且存儲FIFO中。并且考慮到傳輸自身的特征，則可以考慮外掛SRAM作為緩沖。進一步，DSP與FPGA之間通過EMIFA接口實現連接，同樣在FPGA內開辟FIFO或者寄存器實現數據緩沖。DSP則通過EMIFA對其中緩沖數據進行讀取，從而實現數據傳輸。最后，對于遙控與遙測領域的功能而言，系統應當能夠接受地面站的對應指令，通過改變采樣方式，對視頻分辨率進行切換。除此以外，依據對應指令對編碼算法中的參數進行調整和改變，進而實現對于視頻數據碼率等方面的控制，同樣也在該領域的職責范圍以內。

3.地面端CPCI總線接口

CPCI是一種通用的工業接口標準，采用PCI總線技術加以實現，并且進一步對機械結構加以改善，重點在于提升可靠性，并且支持熱插拔使用。該系統的地面端采用FPGA+PCI接口芯片的架構實現，其中前者主要用于實現視頻與遙測數據分離以及接口時序等功能，而后者則由對應的接口芯片承擔，用于降低FPGA協議部分的邏輯設計量。

三、結論

對于高清視頻圖像系統而言，雖然軟件方面的優化不容忽視，但是硬件支持更是至關重要。只有在深入考察硬件不同技術和協議特征的基礎之上，才能不斷實現優化，成為整個體系深入發展的根基。

參考文獻：

[1]焦文喆，翟正軍，任覽昆.基于FPGA的圖像數據采集卡及其驅動設計[ J].國外電子測量技術，2010，29（3）