一種基于FPGA的視頻監測模塊實現

陶佳麗 丁啟鳳 許強 趙希宇 姜志鵬

摘 要：利用攝像頭獲取監控現場視頻信息，以FPGA為核心處理器，實現了一種視頻處理模塊。攝像頭采用了PMOD CAM-0.3M模塊，其傳感器為OV7670，硬件開發平臺采用了Basys3，片上FPGA采用了Xilinx的Artix7芯片，使用Vivado為開發軟件，根據背景差分算法，實現了對現場的實時視頻監測。

關鍵詞：FPGA核心處理器; 視頻監測

中圖分類號：TP23? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2020）1-000-001

近年來，隨著VLSI（Very large Scale Integration超大規模集成電路）技術的飛速發展，已能夠在FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）芯片中實現復雜算法，包括各類視頻處理算法。本文介紹了一種基于FPGA的視頻監測模塊的實現方法。

一、硬件設計

本視頻監測系統的硬件模塊框圖如圖1所示。

如圖中所示，攝像頭采用的是PMOD CAM 0.3M攝像頭模塊，與FPGA接口時，只提供了8位數據線，因此所采集的視頻數據應分2次傳給FPGA。這種攝像頭模塊的其核心傳感器為OV7670，OV7670的內部如圖2所示。

從圖2可以看出，OV7670的時序產生模塊負責產生所需的控制信號，能夠控制圖像陣列和幀信號的產生，控制幀率的時序、產生VSYNC、HSYNC和PCLK等外部接口時所需的時序控制信號。模塊處理模塊實現自動增益控制、自動白平衡等級功能，其產生的RGB三色信號，經過后續的模/數轉換模塊ADC轉換為所需的數字信號，其轉換速度最高可達到12MHz[1]。

本次設計中采用了Basys3開發平臺，平臺上所用的FPGA芯片為XILINX的Artix7系列，如圖1所示，其具體型號為XC7A35T-1CPG236C[2]。該芯片擁有33，280個邏輯單元，分布于5200個區域中，每個區域中還提供了6輸入查找表和8個觸發器，另外還有，800 Kbits的快速RAM，資源比較豐富，能滿足一般性的小型系統需求。

二、軟件設計

1.SCCB總線初始化

圖2中右下角的SCCB接口，全稱為Serial Camera Control Bus，屬于一種串行攝像頭控制接口。OV7670采用了2線式SCCB接口，接口的時鐘線和數據線分別是SIO_C和SIO_D，只能接收來自FPGA的數據。對SCCB接口進行配置的仿真結果如圖3所示。

2.背景差分算法

為了能夠對監測現場進行自動監測，本次設計采用了較簡便的背景差分法。所謂背景差分法，是指首先存儲一張正常情況下的圖像作為背景數據，然后在監測過程中，將攝像得到的畫面，與背景數據進行差分運算。如果監測現場沒有發生任何顯著變化，則攝像所得到的畫面與背景進行差分后大部分像素位置參數正常。考慮到實際工程中存在著非入侵情況下的攝像現場畫面的細微變化，因此在設計時，設置了門限，當差分值異常的像素位置總數不大于門限時，均認為監測現場屬于正常情況。

本次設計進行差分計算的部分代碼如下：

always@（posedge clk）

begin

if（rst） outd<=0;

else? ?if （dinA>dinB） odata<=dinA-dinB;

else? ? outd<=dataB-dataA;

end

三、結論

本文以FPGA為核心控制芯片，將攝像頭所采集的視頻數據與背景圖片進行差分計算，根據差分計算的結果判斷所監測現場的情況，充分利用了FPGA芯片強大的可編程功能和豐富的內部資源。在其他場合，當所需視頻分辨力較高時，可選用分辨率更高的攝像頭，并配以更復雜的監測算法，以達到更佳的設計效果。

基金：金陵科技學院2018年大學生創新訓練計劃項目（201813573095J）;江蘇省現代教育技術研究課題（2016-R-48673）

江蘇省教育科學“十三五”規劃2018年度重點資助課題（B-a/2018/01/39）

參考文獻：

[1] Patel D，Parmar R， Desai A， et al.Gesture recognition using FPGA and OV7670 camera[C]// International Conference on Inventive Systems & Control.2017

[2]姜志鵬，陳正宇，史金芬.應用型工科院校“口袋實驗室”培養模式探索——以電子信息工程專業為例[J]統計與管理，2015（10）