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(shí)用性。本文提出四種不同的視頻采集處理系統(tǒng)并對(duì)不同視頻采集處理系統(tǒng)的優(yōu)劣和實(shí)用性進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】 視頻采集 處理系統(tǒng) 實(shí)用性

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)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(kāi)始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺(jué)系統(tǒng)理解外部世界對(duì)于不同種類設(shè)計(jì)的選擇。本文就常見(jiàn)的幾種視頻采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及優(yōu)劣進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。通常應(yīng)用于課題設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換模塊、視頻數(shù)據(jù)計(jì)算模塊和通信模塊組成。視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)由模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、圖像信號(hào)與其他信號(hào)的分離、視頻信號(hào)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(jì)算模塊由DSP來(lái)完成。通信模塊實(shí)現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)交換。DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，DSP一般具有如下主要特點(diǎn)：

（1）在一個(gè)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(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；

（3）片內(nèi)具有快速RAM，可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；

（4）具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器；

（7）多個(gè)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(duì)外部SDRAM、FLASH等外部設(shè)備進(jìn)行控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)等功能。數(shù)據(jù)處理、顯示由ARM系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用RISC（精簡(jiǎn)指令集）架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

（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(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

（6）指令長(zhǎng)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(shí)時(shí)處理和軟件功能靈活的優(yōu)勢(shì)。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(jìn)行設(shè)計(jì)，核心思想就是要把整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)全部集成到一個(gè)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(fù)編程和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，還具有高可靠性、高速、開(kāi)發(fā)周期短、使用靈活、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。FPGA的本質(zhì)是可編程邏輯門(mén)陣列。整個(gè)系系統(tǒng)都是rilog代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)各種需要的操作，最終以純硬件算法來(lái)實(shí)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(jī)提供，還設(shè)計(jì)了一個(gè)FLASH芯片，就是用來(lái)存儲(chǔ)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(diǎn)包括設(shè)計(jì)比較靈活，能對(duì)圖像進(jìn)行比較復(fù)雜的處理，而且運(yùn)算的速度比較快；缺點(diǎn)是制作系統(tǒng)成本比較高，電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜，適用于對(duì)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(diǎn)有：ARM系統(tǒng)上帶有操作系統(tǒng)，減少了開(kāi)發(fā)周期，外部接口豐富，便于數(shù)據(jù)的采集和控制。缺點(diǎn)如下：系統(tǒng)中的FPGA芯片主要負(fù)責(zé)對(duì)外部SDRAM、FLASH等外部芯片的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)等功能，而數(shù)據(jù)的處理，顯示等交給ARM來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)：SOC技術(shù)已完全不同于傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，它能夠用硬件描述語(yǔ)言抽象的描述系統(tǒng)，具有高智能的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境以及大容量的存儲(chǔ)器件。基于SOC開(kāi)發(fā)平臺(tái)是SOC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這種設(shè)計(jì)是可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)方法，分享IP核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價(jià)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(jí)集成能力快速發(fā)展。缺點(diǎn)：SOC芯片的規(guī)模很大，由于深亞微米工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難等，使得SOC的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。在SOC設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜、最耗時(shí)的環(huán)節(jié)是仿真與驗(yàn)證，約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%--80%，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SOC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

基于FPGA和SDRAM的視頻采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較靈活，產(chǎn)品體積小，能對(duì)圖像進(jìn)行比較復(fù)雜的處理。由于FPGA的高速高精度、運(yùn)算能力極強(qiáng)、并行運(yùn)算能力還有其在數(shù)字領(lǐng)域“無(wú)所不能”的地位，在未開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，以及處理器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的研究中，用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)高速算法，實(shí)現(xiàn)用CPU無(wú)法實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。尤其適用于旨在研究高速圖像顯示控制器，以及存儲(chǔ)系統(tǒng)，涉及到的畫(huà)面重疊、半透明、OSD的硬件實(shí)現(xiàn)算法的研究。由于其掃描速度快，精度高，用FPGA設(shè)計(jì)顯示控制器，不僅在設(shè)計(jì)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(jí)。另外系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)以其可靠性、先進(jìn)性、高效性、體積小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，逐步成為設(shè)計(jì)者的首選。隨著對(duì)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(fù)雜的圖形并且要求精度高和可靠性好，以往的單片機(jī)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(jì)的圖像處理系統(tǒng)可以高效的完成任務(wù)。

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