數字圖像倍焦系統設計與實(shí)現綜合實(shí)例之：設計需求分析與芯片選型

12.1 設計需求分析與芯片選型

在數字圖像處理和通信、遙感圖像分析、醫學(xué)成像診斷等應用領(lǐng)域，為了便于顯示、觀(guān)察或進(jìn)行進(jìn)一步的處理，常常需要對原始的數字圖像進(jìn)行特征提取(如邊緣檢測、邊緣銳化)、噪聲平滑濾波、幾何校正、尺寸縮放等處理，這類(lèi)圖像處理技術(shù)稱(chēng)為圖像的預處理。在實(shí)際應用中，圖像的預處理功能很多可以通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現。

基于FPGA的圖像處理系統最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性，可以實(shí)現高度集成性，縮小產(chǎn)品的體積。而且，可以實(shí)現創(chuàng )新性的設計。

本系統要實(shí)現的功能是對光學(xué)或者紅外攝像機器輸出的視頻信號（模擬）進(jìn)行數字倍焦處理。這樣可以實(shí)現焦距拉長(cháng)一倍的光學(xué)效果，然后仍然以原有的信號格式輸出，送給顯示設備。

12.1.1 需求分析

下面講解數字圖像倍焦系統的輸入輸出特性及系統指標。

1．系統輸入信號指標

（1）視頻輸入制式：PAL制式。掃描方式為隔行掃描。

（2）同步模式：內部同步。

（3）電氣特性：峰峰值為1.0V，阻抗為75W，BNC接口。

（4）分辨率：570線(xiàn)TV標準，數字化后為720´576，每秒25幀。

2．系統輸出信號指標

（1）視頻輸出制式：PAL或者NTSC可選，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)切換。掃描方式為隔行掃描。

（2）同步模式：內部同步或者外部同步。

（3）電氣特性：峰峰值為1.0V，阻抗為75W，BNC接口。

（4）分辨率：570線(xiàn)TV標準，模擬化之前為720´576，每秒25幀。

3．其他系統指標

（1）電路板體積：長(cháng)´寬´高小于40mm´40mm´20mm。

（2）電路板供電和功耗：?jiǎn)危?V供電，功耗小于1W。

12.1.2 芯片選型

本系統的主要功能是完成圖像的實(shí)時(shí)插值放大算法，同時(shí)對體積和功耗有嚴格的要求。根據上面提出的指標進(jìn)行如下的設計分析。

1．主芯片選型分析

對于放大算法實(shí)現，主芯片可以選擇FPGA、DSP和ARM三種方案。

基于A(yíng)RM的系統不能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián)，需要外圍器件較多，電路體積會(huì )比較大?；贒SP的系統雖然能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián)，體積可以滿(mǎn)足要求，但是功耗會(huì )超標。因此，基于FPGA的方案是最佳的選擇。

由于本系統要求能夠擴展5V的數字I/O，所以FPGA要能夠兼容5V的信號輸入。因此，選擇Altera公司的ACEX1K系列FPGA器件。這個(gè)系列的芯片IO電壓是3.3V的，但是輸入支持5V電平。

2．信號輸入輸出選型分析

在視頻信號處理領(lǐng)域，把模擬視頻信號轉換成數字視頻信號的芯片稱(chēng)為視頻解碼器（Video Decoder），如SAA711x系列。而把數字視頻信號轉換成模擬視頻信號的器件稱(chēng)為視頻編碼器（Video Encoder）。

本系統中，視頻解碼器選擇了應用廣泛的SAA7113H，視頻編碼器選擇了SAA7128H。

3．其他單元電路選型分析

另外，為了滿(mǎn)足圖像插值放大算法要求，需要在信號采集系統中采樣緩沖區。采集的信號速率越高，需要的緩沖區容量越大，以保證不丟失數據。

本系統中，采用了乒乓緩沖區的策略來(lái)完成數據的輸入輸出緩沖區管理。因此，選用了兩片SRAM類(lèi)型的存儲器。相對于SDRAM器件，SRAM器件的控制方法更為簡(jiǎn)單，功耗也相對較低，可以滿(mǎn)足本系統的要求。

電源部分選擇了電路簡(jiǎn)單的線(xiàn)性電源模塊（LDO）。本系統屬于低功耗系統，工作電流比較小，因此采用LDO芯片比較適合，如AS1117系列芯片。

4．電路板結構設計

本系統對體積有嚴格要求，如果采用標準單板設計很難達到設計要求，因此，考慮層疊式的電路結構。將整個(gè)電路分成兩塊電路板，通過(guò)連接器，層疊式安裝。這種結構可以充分利用空間，適合這種長(cháng)寬要求嚴格，但是高度方面相對寬松的系統。