基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統(tǒng)的硬件構(gòu)建

張大禹

摘要：本文圍繞基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)展開分析，從不同的層面展開對其架構(gòu)和功能的探討。

關(guān)鍵字：FPGA;DSP;視頻;圖像系統(tǒng)

在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，高效的視頻編解碼技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，尤其是當(dāng)前無人機(jī)對于各類工作的廣泛深入，更加使得民用測繪以及軍用偵測等領(lǐng)域，都對視頻圖像處理技術(shù)提出了更為迫切的要求。無論何種應(yīng)用場景，都要求能夠?qū)o人機(jī)在高空中拍攝的地面圖像發(fā)送回地面，并且進(jìn)一步展開處理。相對于民用系統(tǒng)而言，軍用的要求明顯更為嚴(yán)格。從高空中獲取到的圖像數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀內(nèi)的目標(biāo)像素都比較小并且目標(biāo)數(shù)量大，這就要求盡可能大的提升圖像分辨率，以獲取到關(guān)于地面的更多情況。但是與此同時，隨著分辨率增加的是需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，這無疑與當(dāng)前相對而言比較有限的無線帶寬資源形成矛盾。在這樣的背景之下，不僅僅需要發(fā)展出更為有效的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，高效的視頻編解碼技術(shù)更是成為核心重點(diǎn)，直接關(guān)系到解析圖像本身的效果。對于需要多路視頻傳輸，并且整體數(shù)據(jù)率固定的情況下，可以考慮降低單路視頻分辨率或者提升單路壓縮比來展開工作。想要實(shí)現(xiàn)這種工作方式，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于分辨率和壓縮比的動態(tài)調(diào)整和切換，在提升靈活性的同時面向?qū)嶋H需求展開服務(wù)。除此以外，無人機(jī)與地面的通信過程中，還需要接收地面?zhèn)魉拖驘o人機(jī)的指令并且加以落實(shí)，這些數(shù)據(jù)同樣要求比較高的實(shí)時性特征。如果將這些數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)放在兩個獨(dú)立信道，則傳輸工作的整體效率就會有所降低。因此如何構(gòu)建一個包括傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的廣義遙測系統(tǒng)成為必需。

一、基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統(tǒng)框架建設(shè)

在FPGA+DSP兩項(xiàng)技術(shù)的共同支持之下，整個高清視頻圖像系統(tǒng)架構(gòu)可以參見圖1。具體而言，就是大體劃分為兩個部分，即機(jī)載設(shè)備端的系統(tǒng)和地面設(shè)備端的系統(tǒng)，二者之間通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換。

從圖1中可以看到，對于機(jī)載設(shè)備端而言，經(jīng)由影像傳感器獲取到的視頻模擬信號數(shù)據(jù)，將交由AD進(jìn)行處理，并且轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號傳遞給FPGA，在經(jīng)過FPGA的預(yù)處理之后，生成原始數(shù)字視頻數(shù)據(jù)送達(dá)DSP進(jìn)行視頻編碼。完成編碼之后，將壓縮碼流回傳給FPGA，并且與下行遙測數(shù)據(jù)組幀后進(jìn)入調(diào)制部分。同時上行遙控指令也在FPGA環(huán)節(jié)中對圖像分辨率以及視頻碼率等參數(shù)細(xì)節(jié)展開控制。

而在地面站端，經(jīng)過一系列處理的機(jī)載系統(tǒng)，在通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至地面站端的時候，調(diào)制數(shù)據(jù)首先進(jìn)入FPGA，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)的分離，并且展開分別處理。其中視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過PCI9054，通過CPCI接口傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)對于視頻壓縮碼流的實(shí)時解碼播放以及存儲回放。

二、視頻系統(tǒng)的硬件職能分析

對于這樣的一個視頻系統(tǒng)，其硬件構(gòu)建過程中需要重點(diǎn)注意三個方面：

1.機(jī)載端視頻采集

對于模擬信號的采集工作而言，為了確保信號質(zhì)量，通常采用分量輸出格式加以實(shí)現(xiàn)，例如亮度信號Y以及色差信號Cr、Cb等，并且場同步和行同步信號可采取疊加在分量信號上的內(nèi)輸出。一個比較典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以選用720p格式，25幀/s，并且可以考慮選用TI公司的ADC芯片來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。參見圖2。

2.機(jī)載端DSP+FPGA處理器

對于機(jī)載端而言，其職能主要在于實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號的獲取，以及視頻壓縮編碼和遙控遙測接口功能。在這個體系中，DSP本身即具有良好的數(shù)字信號處理能力，而FPGA則具備大規(guī)模邏輯設(shè)計(jì)能力，因此以這兩個技術(shù)作為根基展開結(jié)構(gòu)建設(shè)，能夠基本滿足機(jī)載端的需求。其大體結(jié)構(gòu)參見圖2。

從功能上看，這一部分需要重點(diǎn)承擔(dān)起三個方面的職能，即數(shù)字視頻的獲取、DSP與FPGA之間的通信以及遙控與遙測。對于數(shù)字視頻的獲取而言，F(xiàn)PGA通過ADC輸出的同步信號來確定視頻數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，對原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并且存儲FIFO中。并且考慮到傳輸自身的特征，則可以考慮外掛SRAM作為緩沖。進(jìn)一步，DSP與FPGA之間通過EMIFA接口實(shí)現(xiàn)連接，同樣在FPGA內(nèi)開辟FIFO或者寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖。DSP則通過EMIFA對其中緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。最后，對于遙控與遙測領(lǐng)域的功能而言，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠接受地面站的對應(yīng)指令，通過改變采樣方式，對視頻分辨率進(jìn)行切換。除此以外，依據(jù)對應(yīng)指令對編碼算法中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對于視頻數(shù)據(jù)碼率等方面的控制，同樣也在該領(lǐng)域的職責(zé)范圍以內(nèi)。

3.地面端CPCI總線接口

CPCI是一種通用的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)，采用PCI總線技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，并且進(jìn)一步對機(jī)械結(jié)構(gòu)加以改善，重點(diǎn)在于提升可靠性，并且支持熱插拔使用。該系統(tǒng)的地面端采用FPGA+PCI接口芯片的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中前者主要用于實(shí)現(xiàn)視頻與遙測數(shù)據(jù)分離以及接口時序等功能，而后者則由對應(yīng)的接口芯片承擔(dān)，用于降低FPGA協(xié)議部分的邏輯設(shè)計(jì)量。

三、結(jié)論

對于高清視頻圖像系統(tǒng)而言，雖然軟件方面的優(yōu)化不容忽視，但是硬件支持更是至關(guān)重要。只有在深入考察硬件不同技術(shù)和協(xié)議特征的基礎(chǔ)之上，才能不斷實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，成為整個體系深入發(fā)展的根基。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦文喆，翟正軍，任覽昆.基于FPGA的圖像數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動設(shè)計(jì)[ J].國外電子測量技術(shù)，2010，29（3）