一種嵌入式的實(shí)時(shí)視頻采集系統

1 引言

隨著(zhù)中國機器人產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,據預測到2010年,市場(chǎng)容量將超過(guò)93.1億人民幣。智能移動(dòng)機器人是在室外環(huán)境中，將視頻圖像采集回來(lái)之后，按照預先給定的目標任務(wù)，結合已知的地理信息做出路徑規劃，在行駛的過(guò)程中能夠不斷感知和判斷周?chē)沫h(huán)境信息，自主地做出各種決策，隨時(shí)調整自身的行駛狀態(tài)并執行相應的動(dòng)作和操作[1]。在這個(gè)過(guò)程中，視頻采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統的運行，是進(jìn)行后續數字圖像處理的前提條件。因此，必須有高性能的硬件設備和高質(zhì)量的算法作為基礎,實(shí)時(shí)視頻采集才成為可能。本文設計并實(shí)現了基于FPGA的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集系統。該系統體積小，功耗低，速度快，適應性好，能夠滿(mǎn)足智能移動(dòng)機器人視頻信號處理系統的需求。

2 系統基本原理

圖1為系統工作原理框圖，整個(gè)系統所需各種芯片的電路連接如下圖所示，由CCD攝像頭輸出模擬視頻信號，經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片SAA7111A進(jìn)行視頻預處理（鉗位、放大、A/D轉換、同步分離等)后輸出圖像數字信號IPD、行同步信號HREF、場(chǎng)同步信號VREF、奇偶場(chǎng)標志信號RST0和 13.5MH像素時(shí)鐘信號LLC2去驅動(dòng)FPGA，從而產(chǎn)生正確的圖像采集時(shí)序和存儲地址，并將采集的圖像存儲到雙口RAM中。整個(gè)系統由視頻采集控制和幀存讀寫(xiě)控制兩個(gè)核心模塊組成，它們的功能都由FPGA來(lái)實(shí)現。雙口RAM分為幀存A和幀存B兩個(gè)存儲區域，實(shí)現乒乓式的讀寫(xiě)操作，能夠完成圖像的實(shí)時(shí)采集。SAA7111A的配置程序和FPGA采集控制程序存儲在FLASH中，系統上電工作時(shí)加載。

圖1 系統工作原理框圖

3 圖像采集系統的構成

3.1視頻信號

視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場(chǎng)同步信號（幀同步信號）、場(chǎng)消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因而，對視頻信號進(jìn)行A/D轉換的電路也非常復雜。Philips公司將這些非常復雜的視頻A/D轉換電路集成到了一塊芯片內。從而生產(chǎn)出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7111A,為視頻信號的數字化應用提供了極大的方便。

3.2 SAA7111A 性能及工作協(xié)議

SAA7111A是PHILIPS公司的一種增強型視頻輸入處理器芯片，它集A/D與解碼功能于一身，片內還附有鎖相、自動(dòng)鉗位控制、時(shí)鐘自動(dòng)增益產(chǎn)生、多制式解碼等電路，另外還可對亮度、對比度和飽和度進(jìn)行控制[2]。既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式。SAA7111A內部含有I2C接口，可簡(jiǎn)潔的通過(guò)I2C總線(xiàn)對SAA7111A的工作方式進(jìn)行設定。SAA7111A的場(chǎng)同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場(chǎng)信號RST0、像素時(shí)鐘信號LLC2都由引腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設計，其可靠性和方便性有了很大的提高。

圖2所示為SAA7111A的功能方框圖。從SAA7111A的四個(gè)模擬輸入端AI11,AI12, AI21, AI22輸入的視頻圖像信號，經(jīng)模擬處理后，一路經(jīng)A/D轉換器后產(chǎn)生數字色度信號和亮度信號，分別進(jìn)行亮度信號處理和色度信號處理。亮度信號處理的結果一路送到色度信號處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號，經(jīng)格式化后從VPO(16位)輸出；另一路進(jìn)入同步分離器，經(jīng)數字PLL產(chǎn)生相應的行和場(chǎng)同步信號HS和VS，同時(shí)PLL驅動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，產(chǎn)生與HS鎖定的時(shí)鐘信號LLC和像素時(shí)鐘信號LLC2。所有這些功能均是在I2C總線(xiàn)控制下完成的，其中SCL為串行時(shí)鐘信號，SDA為串行數據信號。