0 引言

　　传统的视频采集系统仅支持PAL和NTSC几种制式的视频数据，这些模式很难清晰地抓拍到目标快速变化的瞬时图片，而很多高帧频的摄像头只是对图像进行了简单的采集，并未处理和压缩。为了改善视频图像数据的信道传输和存储速度，降低对信道宽度以及存储空间大小的要求，本文设计了一种多接口、高速率传输的图像压缩系统。该系统不直接存储图像数据，而是由FPGA采集数字化后的视频图像数据，通过DSP将采集的数据进行编码压缩，然后再将编码压缩后的数据通过PCI高速传输给计算机，最后再通过计算机对图像进行解压缩并显示。

1 总体结构设计

　　本设计结合FPGA处理速度快、DSP运算能力强等优点，提出了如下方案：通过FPGA模拟I2C总线时序，对模拟视频采集芯片TVP5150进行配置，并接收TVP5150输出的ITU-R BT.656格式的图像数据；同时，采用了Camera Link 接口，接收标准数字相机输出的图像数据。在FPGA完成对视频数据的采集并经内部FIFO缓存后，将数据打包并行传输给DSP，DSP对图像进行JPEG2000标准的压缩，压缩帧频不低于60帧/s，压缩比不小于20:1；压缩后的数据通过PCI总线传输给控制计算机，然后通过计算机对图像进行解码显示。

　　图像压缩系统的整体结构如图1所示，主要包括图像采集模块、FPGA控制模块、DSP压缩模块、PCI接口模块、电源和时钟管理模块。

　　视频采集模块使用了型号为PNT-698的CCD模拟摄像头，该摄像头帧频为25 Hz，场频为50 Hz，像素为720×576，输出为PAL制式图像信号，信噪比大于48 dB，并可以实现自动增益控制以及自动白平衡调整，输出接口标准为BNC。

2 硬件平台的搭建

　　2.1 视频接口协议设定

　　视频接口由8路并行数据和1路时钟信号组成，时钟为像素时钟，时钟周期T=1/1 728fN，fN为行频率,单位是Hz，fN=1/625(一帧图像为625行)，脉冲宽度t=18.5±3 ns，数据保持时间为td=18.5±3 ns。

　　视频传输协议是以帧为单位传输，一帧图像的传输格式如图2所示。为了与标准电视图像扫描方式相兼容，采用隔行扫描，每帧625行，每行1 728 B。其中第1行～第23行和第311行～第336行为场消隐信号，主要针对视频数据场结束后扫描位置的重新定位，偶数场共288行（23～311），奇数场共288行（336～624）。

　　图像解码芯片TVP5150采用了同步信号嵌入数据内部的输出方式，所以需要对行数据结构进行研究。行数据结构如图3所示，一行共1 728 B，前288 B为行控制信号，后1 440 B为图像数据。行控制信号包括行开始标志SAV（Start of Active Video），长度为4 B；行结束标志EAV（End of Active Video），长度为4 B；行消隐信号280 B。SAV信号和EAV信号都由4 B组成，分别为FF、00、00、XY，前3 B为固定数，最后1 B XY表示该行数据在整帧图像中的位置信息。XY字节包含奇偶场标志、行消隐状态信息、场消隐状态信息。

　　视频图像数据为YCbCr 4:2:2格式，Y表示一个像素的亮度，Cb、Cr表示一个像素的色差信号，一个像素2 B，每行共720个像素，共1 440 B。视频数据格式为CbYCrYCbYCrY……CrY，因此可以理解为每个像素均有各自的亮度信号Y，但是共用一组色差信号Cb和Cr。在解包数据时，需要将它们分开，若需要显示，可以将YUV格式转换为RGB格式。

　　2.2 FPGA与DSP接口设计

　　FPGA完成图像数据的接收后，经过格式变换及滤波将图像数据传输给DSP进行压缩。压缩打包完成后，又需要将数据回传给FPGA，通过FPGA控制PCI接口时序，将数据最终上传给计算机。为了满足图像数据高速、双向、实时的传输，在DSP与FPGA之间设计了两个高速的FIFO缓冲。

　　本系统中选用Spartan3系列的XC3S1400AN作为核心处理器[1]，其内部储存资源丰富，内部Flash 16 Mbit， Distributed RAM(分布式RAM)176 Kbit，Block RAM(块RAM)576 Kbit。为了节约成本，同时考虑到系统的传输速率及可靠性，在FPGA内部IP核中创建了内部FIFO，数据宽度为32 bit，存储容量为3 M×32 bit。采用了独立的读时钟(RD_CLK)和写时钟(WR_CLK)，数据达到半满，半满标志位置1(half_flag=′1′)；达到满，满标志置1(full_flag=′1′)。

　　FPGA和DSP的接口如图4所示，视频数据采集、处理完成之后，FPGA通过FIFO的满标志查看FIFO是否已满，如果未满，则将32 bit图像数据在写时钟的逻辑控制下写入到FIFO；将半满信号连接到DSP的中断引脚，半满信号置高，会触发DSP的DMA进程，将FIFO中的图像数据读走[2]。同理，DSP通过EMIF外设接口将FPGA作为其外部存储空间，压缩后的数据通过DMA写到FPGA内部的另一个FIFO，半满信号触发FPGA内部读数进程，将数据读走，通过PCI总线上传到控制计算机。

　　2.3 DSP压缩模块设计

　　JPEG2000压缩算法硬件实现复杂度比较高，其核心算法离散小波变换和EBCOT算法计算量特别大[3]，同时要考虑到实时性要求，所以对CPU的处理速度以及缓存空间等要求很高。因此在本次设计中，选择了TI公司C6000系列DSP中的TMS320DM642作为硬件平台。该DSP计算速度超过每秒64亿次，适合大数据吞吐量高速运算，比如在图像处理领域。同时，DM642拥有丰富的外设接口，包括可实现与SDRAM、Flash等外部存储芯片无缝数据连接的EMIF接口等，非常适合音视频解码、数字监控以及数字视频服务等应用[4]。

　　对图像数据处理流程如图5所示，源图像先经过正向预处理后进行离散小波变换（DWT），然后对变换的小波系数进行量化处理和熵编码，最后将熵编码后获得的图像数据打包成压缩数据包输出。解码则按照压缩码流中提供的各个参数将编码过程进行逆向操作，最终将源图像重构还原出来。

　　2.4 乒乓缓存设计

　　图像传感器单位时间内产生的数据是连续的，且数据量比较大，而DSP的编码速率是变化的。为了防止在编码过程中造成数据的丢失，需要在采集与编码电路之间设计一组帧缓存电路。

　　常用的缓存电路主要有FIFO、双端口RAM和乒乓缓存结构[5]。由于FIFO的存储容量太小，不适合图像视频数据的大吞吐量缓存。双端口RAM配备必须进行访问仲裁控制，设计较复杂。乒乓缓存结构克服了它们所有的缺点，输入的视频数据流以帧为单位交替地写入两个不同的SDRAM存储单元，在写入其中一块SDRAM的同时，将另一块SDRAM中的数据读出，并送到数据编码单元进行运算。这样数据的输入/输出都是不间断的，非常适合流水线式操作，完成数据的无缝缓存和处理。

　　本设计中乒乓缓存结构如图6所示，DSP接收到FPGA传输的图像数据后，以帧为单位交替写入两块SDRAM存储器。与此同时，数据被交替读出，输出给数据压缩单元进行编码。数据流被严格有效地控制，不会出现丢数据或者误码，而且效率很高。选用MT48LC2M-

　　32B2作为外部高度SDRAM缓存器，读写速率可以达到6 ns，数据总线宽度为32 bit，容量为64 Mbit，而高频数字摄像头输入的一帧图像的大小为600×480×3=864 Kbit，完全可以满足要求。

3 逻辑功能的实现

　　3.1 TVP5150解码逻辑

　　TVP5150解码芯片输出的数据流中除了包含有效的视频图像数据之外，还包含行、场同步信号以及一些消隐数据。所以在视频解码时，需要根据同步信号以及ITU-R BT.656的标准格式将有效数据提取出来。

　　提取有效数据的流程图如图7所示，在时钟的上升沿对TVP5150输出的数据进行采样，若连续出现“FF”、“00”、“00” 3个固定字节，则表明出现了定时基准；如果第4 B出现“80”，表示一场数据的开始，而且为偶场，接着读取1 440 B图像数据。同理，若第4 B出现“C7”，表示奇数场数据的开始，接着同样读取1 440 B有效图像数据；否则，继续等待定时基准的出现。

　　3.2 DSP编码逻辑

　　DSP对图像数据的编码流程如图8所示，上电复位后，DSP程序从Flash起始处加载并启动，通过二次引导，最终将应用程序全部搬移到DSP内存中，然后跳转到入口函数c_int00（），完成初始化配置，并等待FPGA的外部中断触发信号。FPGA采集到数据后，缓存到接口FIFO中，并以中断的方式触发DSP的DMA进程，DSP以DMA的方式将数据存储到SDRAM中，若一帧图像传输完毕，则触发软中断，进入JPEG2000编码子程序。编码完成后，再次触发DMA进程，将数据回传给FPGA。　3.3 PCI传输接口逻辑

　　PCI接口主要用来下发上位机控制命令和系统参数，上传编码后的图像数据。采用PCI9054芯片来连接本地总线和PCI总线，PCI总线协议由PCI9054芯片内部处理，只需对其进行配置，并完成硬件接口驱动程序即可，PCI9054工作在C模式，内部采用了DMA数据传输方式[6]。

　　PCI接口内部逻辑流程图如图9所示，先判断总线启动信号ADS，若该引脚电平由高变低，则启动一次数据传输过程，然后判断读写信号电平LWR，若LWR为1，表示PCI写过程，否则为读过程。PCI读过程又分为读状态和读数据，通过地址总线LA来判断，读过程中，若LA=04H，则为读寄存器状态；若LA=A0H，则为读批量图像数据。而写过程中，若LA=01H，则为系统复位，立即执行，不写入寄存器；若LA=02H，则为命令下发，需要将命令字写入相应寄存器；若LA=03H，则为命令刷新，立即执行，不写入寄存器。

　　为了使得数据不丢失，在PCI接口设计过程中调用FPGA的IP核添加了FIFO数据缓存器，位宽为32 bit，与PCI总线位宽相匹配，深度为4 KB。由于PCI数据总线是双向传输，所以在FPGA内部增添了数据方向控制模块，保证了数据有序地下发和上传。

4 结果分析

　　为了比较压缩前后图像的质量，首先将未压缩的图片通过PCI接口传输给上位机并显示，如图10(a)所示，图像大小为407 KB，格式为BMP。然后保持源图片不变，将采集到的图像数据传输给DSP编码，编码后传输给上位机，经上位机解码后得到的图片如图10(b)所示，其大小为59.5 KB，压缩比约为10：1；图10(c)大小为15.2 KB，压缩比约为26：1。同时，图像数据通过PCI卡传输给上位机时最高速率达到了38 MB/s。

　　通过对比可知，压缩比越高，峰值信噪比越低，主观视觉的质量也会有所下降，局部细节有些模糊。总体来说，本次设计的新型图像压缩编码系统实现了预计的功能。

参考文献

　　[1] 邸丽霞.基于FPGA的高速图像数据采集存储系统设计[J].电视技术，2013，37(13)：49-52.

　　[2] 李娟.基于FPGA的图像预处理及显示系统的设计[D].中国科学院研究生院，2011.

　　[3] 张晓娣，刘贵忠，曾召华，等.JPEG2000图像压缩编码系统及其关键技术[J].电视技术，2001(8)：13-17.

　　[4] 郑红，刘振强，李振.嵌入式DSP应用系统设计及实例剖析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

　　[5] 周如辉.实时视频处理系统中乒乓缓存控制器的设计[J].电子元器件应用，2006(4)：66-68.

　　[6] 原学山.基于PCI总线的图像采集卡的设计与实现[D].成都：西南交通大学，2006.