基于ＦＰＧＡ的視頻濾波處理系統(tǒng)

肖　駿

[摘要]介紹一個(gè)以XC2S200為核心的視頻信號(hào)濾波處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為水下圖像目標(biāo)識(shí)別和監(jiān)控提供了一種解決方案，它采用共軛算法對(duì)圖像進(jìn)行統(tǒng)一、高效的全局變換，濾波增強(qiáng)效率更高，并且采用Xilinx公司的FPGA芯片XC2S200位處理核心，使得該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，配置靈活，便于攜帶。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)使水下昏暗、模糊的視頻圖像獲得較好的噪聲濾波效果，并輸出給液晶顯示器顯示?？蓱?yīng)用于水下場(chǎng)景監(jiān)測(cè)或監(jiān)控，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]FPGA 視頻信號(hào) 噪聲濾波

中圖分類號(hào)：TN8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0510013－01

視頻圖像處理的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種圖像處理算法日趨成熟，相關(guān)的硬件技術(shù)更是不斷推陳出新。現(xiàn)代大規(guī)模集成電路VLSI技術(shù)的迅猛發(fā)展為視頻圖像處理技術(shù)提供了硬件基礎(chǔ)。其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA用于嵌入式視頻圖像處理有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)FPGA在視頻圖像處理上的應(yīng)用，提出了一種基于濾波處理的視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并選用Xilinx公司的Spartan II系列FPGA芯片XC2S200為核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件電路。該硬件平臺(tái)與相關(guān)

的算法軟件相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)微光圖像增強(qiáng)、視頻信號(hào)降噪等圖像處理。

一、Xilinx XC2S200[1]

XC2S200屬于Xilinx公司Spartan II系列的FPGA芯片。Spartan-2系列產(chǎn)品采用了先進(jìn)的0.18、90制造工藝，器件速度達(dá)到200 MHz或更高，為用戶提供了設(shè)計(jì)上的靈活性。這些低功耗2.5伏器件的I/O可在3.3伏下工作，并可完全耐受5伏輸入信號(hào)。由于采用了成熟的FPGA結(jié)構(gòu)，支持流行的接口標(biāo)準(zhǔn)，具有適量的邏輯資源和片內(nèi)RAM，用戶I/O可編程，并提供靈活的時(shí)鐘處理，可以運(yùn)行8位的PicoBlaze軟核。器件提供了無(wú)限的可編程能力，甚至還可支持現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

XC2S200的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、基于XC2S200的視頻濾波處理系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)的原理圖

因?yàn)閲?guó)內(nèi)一般的視頻信號(hào)都是PAL視頻制式，它屬于基帶視頻，是一種簡(jiǎn)單的模擬信號(hào)，而FPGA必須處理數(shù)字格式信號(hào)，因此我們必須利用一塊模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片來(lái)將PAL格式的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻格式ITU-R BT.656。另一方面，為了將經(jīng)過(guò)FPGA處理過(guò)的視頻信號(hào)在顯示屏上顯示出來(lái)，我們還必須利用一塊數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字視頻信號(hào)再轉(zhuǎn)換為PAL制式的模擬信號(hào)。同時(shí)，由于我們要處理的一幀圖象就有485K，僅僅利用FPGA的Block RAM Bits（56K）是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，再考慮到編寫(xiě)代碼的簡(jiǎn)易性，適合使用單向緩存，綜合考慮，我們采用Philip公司的SAA7111作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，Philip公司的SAA7128作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，利用兩片Cypress公司的SRAM芯片CY7C1049BV33（512K）作為緩存。此外，還要考慮FPGA的代碼配置問(wèn)題，這樣，我們?cè)龠x一片XILINX公司的PROM芯片XC18V02作為系統(tǒng)配置芯片。

系統(tǒng)原理圖如圖2。

（二）系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)復(fù)位完成FPGA程序加載后，先由FPGA的I2C總線[4]模塊對(duì)SAA7111和SAA7128初始化，初始化結(jié)束后二者分別等待采集圖像和接收?qǐng)D像的命令。初始化成功后，SAA7111實(shí)時(shí)處理模擬視頻信號(hào)，輸出亮度和色度信號(hào)，同時(shí)輸出點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，行、場(chǎng)同步信號(hào)，行、場(chǎng)參考信號(hào)，奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)等。本系統(tǒng)使用灰度圖像，沒(méi)有使用色度信號(hào)，所以數(shù)據(jù)線為8位。系統(tǒng)采集圖像的命令由FPGA（實(shí)際是由程序確定的）發(fā)出，該命令啟動(dòng)FPGA內(nèi)的采集同步模塊。采集同步模塊發(fā)出采集標(biāo)志信號(hào)，讀取一幀圖像，通過(guò)寫(xiě)數(shù)據(jù)模塊產(chǎn)生寫(xiě)地址和寫(xiě)信號(hào)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM1中。采集結(jié)束時(shí)，采集標(biāo)志信號(hào)撤銷，采集同步模塊復(fù)位，等待下一次采集命令。采集標(biāo)志信號(hào)撤銷時(shí)，F(xiàn)PGA開(kāi)始讀取SRAM1中的圖像信息，這是通過(guò)讀數(shù)據(jù)模塊產(chǎn)生讀地址和讀信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。FPGA將1幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理（如噪聲去除，邊緣提取等）后，存儲(chǔ)到SRAM2中，并發(fā)信號(hào)給SAA7128，通知其接收數(shù)據(jù)。FPGA將場(chǎng)同步信號(hào)、垂直消隱信號(hào)和水平同步信號(hào)進(jìn)行復(fù)合，再發(fā)送給SAA7128，以供其輸出顯示。

三、系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)

常用的設(shè)計(jì)輸入方式不外乎原理圖、硬件描述語(yǔ)言、波形和狀態(tài)機(jī)這四種方式，實(shí)際中用的最多的還是硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)輸入方法。本系統(tǒng)中大部分的軟件結(jié)構(gòu)模塊就是通過(guò)硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)輸入方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

由于本系統(tǒng)的中央處理芯片采用的是Xilinx公司的FPGA，而Xilinx公司的PLD開(kāi)發(fā)工具ISE提供VHDL/Verilog的子集。因此可根據(jù)個(gè)人喜好自由選用VHDL硬件描述語(yǔ)言或Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件代碼開(kāi)發(fā)。各模塊程序編寫(xiě)好后可以利用ModelSim SE6.0進(jìn)行仿真，然后利用ISE自帶的綜合工具XST或Synopsys公司的Synplify綜合工具進(jìn)行綜合。調(diào)試通過(guò)后，將程序下載入PROM即可。

四、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)反復(fù)軟、硬件調(diào)試后，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了較好的濾波圖像增強(qiáng)效果。由實(shí)驗(yàn)得知，在硬件系統(tǒng)調(diào)試成功后，系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要由圖像濾波增強(qiáng)算法來(lái)決定，比較、修正算法，可以獲得處理程度不同的視頻濾波增強(qiáng)效果。因此，開(kāi)發(fā)出和具體應(yīng)用更合適的算法是下一步的重點(diǎn)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]Xilinx,Inc. Spartan-II 2.5V FPGA Family:Complete Data Sheet[EB/OL].http://www.fpga.com.cn/application/a68.htm.

[2]胡振華，VHDL與FPGA設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.