淺談不同視頻采集處理系統(tǒng)的選擇

白樺林+李磊

【摘 要】 視頻采集處理系統(tǒng)作為視頻器最重要的前提，前端的圖像采集速度及質(zhì)量和圖像處理系統(tǒng)后端的算法處理及應(yīng)用直接影響到視頻器的實用性。本文提出四種不同的視頻采集處理系統(tǒng)并對不同視頻采集處理系統(tǒng)的優(yōu)劣和實用性進行分析。

【關(guān)鍵詞】 視頻采集 處理系統(tǒng) 實用性

1 引言

隨著計算機技術(shù)和人工智能、思維科學研究的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開始研究如何用計算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界對于不同種類設(shè)計的選擇。本文就常見的幾種視頻采集處理系統(tǒng)的設(shè)計方案及優(yōu)劣進行簡單的分析。通常應(yīng)用于課題設(shè)計的方案主要有以下幾種：基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統(tǒng)、基于ARM的視頻采集處理系統(tǒng)、基于SOC的視頻采集處理系統(tǒng)、基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統(tǒng)等。

2 設(shè)計方案

2.1 基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統(tǒng)

系統(tǒng)由視頻信號轉(zhuǎn)換模塊、視頻數(shù)據(jù)計算模塊和通信模塊組成。視頻信號轉(zhuǎn)換模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換芯片來完成，實現(xiàn)視頻信號由模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、圖像信號與其他信號的分離、視頻信號的格式轉(zhuǎn)換等，最終提供可以處理的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)計算模塊由DSP來完成。通信模塊實現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)交換。DSP芯片是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，DSP一般具有如下主要特點：

（1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；

（3）片內(nèi)具有快速RAM，可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；

（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；

（5）硬件I/O支持和快速中斷處理；

（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；

（7）多個操作可以并行執(zhí)行；

（8）流水線操作方式可以使取指、譯碼和執(zhí)行等操作重疊執(zhí)行。

2.2 基于ARM的視頻采集處理系統(tǒng)

系統(tǒng)中FPGA主要對外部SDRAM、FLASH等外部設(shè)備進行控制，主要負責數(shù)據(jù)的采集、存儲等功能。數(shù)據(jù)處理、顯示由ARM系統(tǒng)來實現(xiàn)。采用RISC（精簡指令集）架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點：

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位、16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

（6）指令長度固定。

2.3 基于SOC的視頻采集處理系統(tǒng)

SOC主要理念是軟硬件協(xié)同處理信息，充分發(fā)揮硬件實時處理和軟件功能靈活的優(yōu)勢。SOC是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。它采用IP Core進行設(shè)計，核心思想就是要把整個數(shù)字信號處理系統(tǒng)全部集成到一個芯片中。

2.4 基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統(tǒng)

FPGA具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，還具有高可靠性、高速、開發(fā)周期短、使用靈活、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。FPGA的本質(zhì)是可編程邏輯門陣列。整個系系統(tǒng)都是rilog代碼來實現(xiàn)各種需要的操作，最終以純硬件算法來實現(xiàn)視頻的疊加處理和顯示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)源可以由攝像頭拍攝也可以由微機提供，還設(shè)計了一個FLASH芯片，就是用來存儲固定的圖像字符用的。

3 方案選擇

基于FPGA和DSP的視頻采集處理系統(tǒng)優(yōu)點包括設(shè)計比較靈活，能對圖像進行比較復雜的處理，而且運算的速度比較快；缺點是制作系統(tǒng)成本比較高，電路的設(shè)計復雜，適用于對靈敏度要求較高的系統(tǒng)。

基于ARM的視頻采集處理系統(tǒng)優(yōu)點有：ARM系統(tǒng)上帶有操作系統(tǒng)，減少了開發(fā)周期，外部接口豐富，便于數(shù)據(jù)的采集和控制。缺點如下：系統(tǒng)中的FPGA芯片主要負責對外部SDRAM、FLASH等外部芯片的控制，主要負責數(shù)據(jù)的采集、存儲等功能，而數(shù)據(jù)的處理，顯示等交給ARM來實現(xiàn)，導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，通信量大，整體性能差。

基于SOC的視頻采集處理系統(tǒng)優(yōu)點：SOC技術(shù)已完全不同于傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計理念，它能夠用硬件描述語言抽象的描述系統(tǒng)，具有高智能的集成開發(fā)環(huán)境以及大容量的存儲器件?；赟OC開發(fā)平臺是SOC技術(shù)的發(fā)展趨勢，這種設(shè)計是可以達到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計方法，分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價值鏈，在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上，向成品率、可靠性、EMI噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)級集成能力快速發(fā)展。缺點：SOC芯片的規(guī)模很大，由于深亞微米工藝帶來的設(shè)計困難等，使得SOC的設(shè)計相當復雜。在SOC設(shè)計中，最復雜、最耗時的環(huán)節(jié)是仿真與驗證，約占整個芯片開發(fā)周期的50%--80%，采用先進的設(shè)計與仿真驗證方法成為SOC設(shè)計成功的關(guān)鍵。

基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統(tǒng)設(shè)計比較靈活，產(chǎn)品體積小，能對圖像進行比較復雜的處理。由于FPGA的高速高精度、運算能力極強、并行運算能力還有其在數(shù)字領(lǐng)域“無所不能”的地位，在未開發(fā)領(lǐng)域，以及處理器無法實現(xiàn)的研究中，用FPGA來實現(xiàn)高速算法，實現(xiàn)用CPU無法實現(xiàn)的指標。尤其適用于旨在研究高速圖像顯示控制器，以及存儲系統(tǒng)，涉及到的畫面重疊、半透明、OSD的硬件實現(xiàn)算法的研究。由于其掃描速度快，精度高，用FPGA設(shè)計顯示控制器，不僅在設(shè)計上能夠突破瓶頸，極大地降低成本，而且使得視頻顯示系統(tǒng)更加靈活，便于優(yōu)化升級。另外系統(tǒng)的FPGA設(shè)計以其可靠性、先進性、高效性、體積小、靈活性強等特點，逐步成為設(shè)計者的首選。隨著對視頻疊加要求的提高，很多領(lǐng)域要求在視頻圖像上疊加各種復雜的圖形并且要求精度高和可靠性好，以往的單片機控制的視頻疊加系統(tǒng)已經(jīng)逐步不能滿足要求，而FPGA設(shè)計的圖像處理系統(tǒng)可以高效的完成任務(wù)。

參考文獻：

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