藺志強(qiáng)，孟令軍，彭晴晴

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，一些工作環(huán)境或者易發(fā)生事故的場所不允許人們直接觀察和操作。圖像采集系統(tǒng)以其實(shí)時(shí)性和真實(shí)性發(fā)揮了重大作用，圖像采集系統(tǒng)是一種集圖像采集、顯示和存儲為一體的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。本文基于ADV7180設(shè)計(jì)了一種集圖像顯示與圖像存儲的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，以方便人們了解實(shí)際情況并通過分析做出決策，為環(huán)境保護(hù)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全提供了保障。

1 圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)構(gòu)成

CCD攝像頭以其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)成為本文采集模塊的首選，而CCD攝像頭的輸出格式分為PAL制式和NTSC制式，示波器檢測結(jié)果如圖1所示，使用的攝像頭為PAL制式，標(biāo)準(zhǔn)的PAL電視每秒顯示50場，即圖像輸出頻率為50 Hz。一行圖像數(shù)據(jù)為64 μs。

2 基本原理和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文主要完成了對采集的PAL制式圖像的顯示與存儲，由于環(huán)境變化迅速，采用灰度圖像顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測的內(nèi)容，可以提高顯示的靈敏度。對需要分析的特定時(shí)刻，可以采集彩色圖像并存儲以便進(jìn)行分析。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由CCD采集圖像數(shù)據(jù)經(jīng)ADV7180解碼為標(biāo)準(zhǔn)的4∶2∶2數(shù)據(jù)流，通過對亮度信號的提取，實(shí)現(xiàn)了灰度圖像的顯示，而灰度圖像不易于分析，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)采集控制開關(guān)，采集一幀彩色圖像存入SDRAM并經(jīng)過一系列的編碼轉(zhuǎn)換，通過VGA接口送到相連的顯示設(shè)備進(jìn)行分析。由于PAL制式的一幀圖像分為奇數(shù)場和偶數(shù)場，所以設(shè)計(jì)了兩個(gè)FIFO，將奇數(shù)場和偶數(shù)場分別存入兩個(gè)FIFO，利用乒乓結(jié)構(gòu)讀取兩個(gè)FIFO中的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的存儲速度和可靠性。

3 ADV7180視頻解碼芯片的硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 ADV7180標(biāo)清視頻解碼器性能簡介

設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)模擬圖像信號到數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換的ADV7180為ADI公司推出的一款10位、4倍過采樣的視頻圖像解碼器，它可以采樣NTSC，PAL和SECAM格式的模擬視頻信號。通過正確配置后芯片自動檢測輸入格式，并將其轉(zhuǎn)換為與ITU-R.656接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的YCbCr 4∶2∶2的8位分量視頻圖像數(shù)據(jù)。

3.2 ADV7180配置的FPGA實(shí)現(xiàn)

ADV7180的正常工作需要通過I2C總線的正確配置。配置完成以后，芯片檢測到啟動信號后就開始工作。啟動芯片正常工作的關(guān)鍵是對ADV7180各寄存器的正確配置。ADV7180通過I2C總線配置寄存器的時(shí)序如圖3所示。

設(shè)計(jì)采用的CCD攝像頭輸出的是PAL制式的視頻信號，ADV7180視頻輸入模式要采用CVBS輸入模式，并使能AIN1作為視頻信號輸入口，檢測模式采用自動檢測模式。從CVBS端口引進(jìn)的視頻信號的構(gòu)成除了包含圖像數(shù)據(jù)信號之外，還包含行同步信號、場同步信號、行消隱、場消隱等信號，芯片可以自動進(jìn)行處理，系統(tǒng)只要檢測相應(yīng)的信號啟動相應(yīng)操作就行，不需要系統(tǒng)對其進(jìn)行干預(yù)[2]。系統(tǒng)上電復(fù)位后，SCLK和SDATA保持為高電平，當(dāng)FPGA將SDATA由高拉低時(shí)，就啟動一次I2C對ADV7180的寄存器配置，正確配置成功就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，設(shè)計(jì)需要配置的寄存器如表1所示。

設(shè)計(jì)用FPGA模擬I2C主端口，發(fā)起對ADV7180從端口的配置，首先發(fā)出一個(gè)8 bit的設(shè)備地址（0x40），在收到地址配置完成信號后，再輸出8 bit寄存器地址（7 bit地址和1 bit讀寫信號），在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)將SDATA數(shù)據(jù)線拉低，提示寄存器地址寫成功后，主端口根據(jù)讀寫信號將8 bit數(shù)據(jù)寫入或者讀出相關(guān)寄存器。

4 系統(tǒng)其他功能模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

4.1 圖像數(shù)據(jù)解碼模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

攝像頭采集到的模擬視頻圖像信號經(jīng)由ADV7180解碼后得到4∶2∶2的YCbCr數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)流，圖像行、場等同步控制信號都內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)流中，每行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

最開始為4 byte的有效視頻數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志EAV信號，其后的280 byte的8010為固定填充數(shù)，視頻數(shù)據(jù)信號的排列順序?yàn)镃b-Y-Cr-Y逐個(gè)排列，最后為4 byte的有效視頻起始標(biāo)志SAV信號。FF，00，00為SAV和EAV信號的3 byte前導(dǎo)，最后的1 byte XY表示區(qū)分SAV，EAV。具體XY的各個(gè)比特位的含義為最高位7 bit為固定值1；6 bit F=0表示偶數(shù)場，F(xiàn)=1表示奇數(shù)場；5 bit V=0表示該行有效視頻數(shù)據(jù)，V=1表示該行沒有有效視頻數(shù)據(jù)；4 bit H=0表示為SAV信號，H=1表示為EAV信號；P3～P0為保護(hù)信號，由F，V，H信號計(jì)算生成；P3值為V異或H；P2值為F異或H；P1值為F異或V；P0值為F異或V異或H。

奇數(shù)場的有效數(shù)據(jù)以FF0000C7開始，以FF0000DA結(jié)尾；無效數(shù)據(jù)是以FF0000EC，F(xiàn)F0000F1結(jié)尾；偶數(shù)場的有效數(shù)據(jù)是以FF000080開始，以FF00009D結(jié)尾；無效數(shù)據(jù)是以FF0000AB，F(xiàn)F0000B6結(jié)尾。

4.2 Y分量圖像的提取

解碼芯片656輸出格式亮度與色度關(guān)系如圖5所示，為了顯示灰度圖像，可設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器對Y分量進(jìn)行提取，結(jié)合圖4和圖5可知，忽略CbCr色度信息，當(dāng)計(jì)數(shù)器為偶數(shù)時(shí)，將Y變量賦值給灰度圖像變量，通過VGA控制器即可顯示所對應(yīng)的灰度圖像。

5 圖像數(shù)據(jù)由YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換

VGA接口的PC顯示器和LCD顯示器的都是基于RGB三基色的，而ADV7180解碼后得到的是YCbCr 4∶2∶2格式的圖像數(shù)據(jù)[3]。所以，首先需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YUV 4∶4∶4數(shù)據(jù)格式，然后進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，將YUV格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成RGB色彩空間的格式數(shù)據(jù)，具體轉(zhuǎn)化形式為

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

使用Quartus II下的嵌入式邏輯分析儀Signal TapⅡ?qū)2C配置ADV7180進(jìn)行檢測，測試結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)表1和圖3，可以看出I2C端口ADV7180配置寄存器地址和數(shù)據(jù)都正確。用示波器對ADV7180的輸出信號VS，HS進(jìn)了檢測，如圖7和圖8所示。

可以看到ADV7180正確啟動并工作正常，其輸出的所有信號都符合設(shè)計(jì)要求。Signal TapⅡ邏輯分析儀檢測到的亮度信號提取結(jié)果如圖9所示。

灰度圖像的顯示結(jié)果如圖10所示。

7 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ADV7180的圖像采集顯示及分析系統(tǒng)，介紹了ADV7180的配置以及灰度圖像的提取與顯示，并且利用開關(guān)實(shí)現(xiàn)了一幀色度圖像的存儲。實(shí)驗(yàn)表明，灰度圖像的顯示提高了實(shí)時(shí)采集的速度，色度圖像的存儲為分析提供了依據(jù)，為決策作出了保障。在實(shí)際的運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)色度圖像的存儲速度和畫面質(zhì)量還有待提高，圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理將進(jìn)一步研究。

[1]唐紅雨，陳迅.高速圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2006（12）：56-60.

[2]湯少為.基于FPGA控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[3]沈庭芝，方子文，王衛(wèi)江，等.數(shù)字圖像處理及模式識別[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.