基于FPGA的图像采集系统设计与实现

基于FPGA的图像采集系统设计与实现

摘要:图像采集是数字化图像处理的第一步,开发图像采集平台是视觉系统开发的基础。本课题提出了基于FPGA的图像采集系统整体实现方案。采用Verilog HDL语言编写程序,并用Modelsim等软件进行联合仿真,然后下载到DE2开发板实现图像采集功能。

关键词:FPGA 图像采集DE2开发板Verilog HDL Modelsim

图像采集是视频信号处理系统的前端部分,正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。图像采集处理器件主要有专用集成芯片、数字信号处理器和现场可编程门阵列以及相关电路组成。近年来,微电子技术和超大规模的集成电路制造技术的发展,特别FPGA 的发展,为提高图像采集处理系统各种性能提供了新的思路和方法。

1 系统硬件结构设计

本系统采用的是DE2开发平台,系统主芯片采用Altera公司的Cyclone II系列FPGA(EP2C35F672C6),该芯片具有33 216个LE,105个M4K RAM块,472 kb的内部RAM容量,35个内嵌乘法器单元,4个模拟锁相环等,广泛应用于汽车电子、消费电子、音/视频处理、通信以及测试测量等终端产品市场。系统设计还包含有:D5M视频采集板,8MB SDRAM、视频D/A、VGA接口等,硬件结构如图1所示。

1.1 图像传感器

本系统所采用的TDRB_D5M摄像头套件,使用的是CMOS图像传感器。集成500万像素摄像头,通过对其内部寄存器的设置,来配置摄像头的图像采集和工作模式。

1.2 视频缓存器设计

DE2平台采用的是型号为IS42S16400的SDRAM,IS42S16400是ISSI公司推出的一种单片存储容量高达64 Mb(即8 MB)的16位字宽高速SDRAM芯片。

1.3 视频D/A电路

DE2平台的Video DAC选用了Analog Device公司的ADV7123。从图像缓存器中提取的数据转换为视频信号,通过VGA输出显示。ADV7123是三路高速、10位输入的视频D/A转换器,具有240MHz 的最大采样速度,与多种高精度的显示系统兼容,包括RS-343A和RS-170,可以广泛应用于如HDTV、数字视频系统、高分辨率的彩色图片图像处理、视频信号再现等,因此,能够满足我们多方面应用需求。

2 FPGA内部模块设计

在确定DE2平台的硬件需求部分后,需要在FPGA中设计相应的功能模块,才能使系统正常的工作。这些功能模块有:图像采集模块、图像格式转换模块、图像缓存模块和图像显示模块。

2.1 像采集模块

系统硬件使用的是D5M摄像头套件,该套件采用的是500万像素CMOS数字图像传感器,可以使用I/C总线配置其相应的寄存器来设置工作模式和采集数据的大小。图像采集模块可以分为:图像数据捕获模块和COMS传感器配置模块。

2.2 图像格式转换模块

本系统采用的CMOS传感器采集到的数据是Bayer颜色模式,使用数据缓存加流水线的处理方式,将由上一级抓取到行数据实时转换成RGB数据,其中R、G、B各占12位,在输入SDRAM缓存中时,多口SDRAM控制模块只取用R、G、B的高10位来存储,所以RGB最终是30位的数据。

2.3 图像缓存模块

预处理的图像需要放在存储器中,对于大部分的FPGA来说器件内部都含有4 k的内存,而本系统采集的图像容量为1.1 MB左右,还要考虑今后对动态图像处理功能的扩展,所以本设计选用了DE2外扩存储容量为8 M的SDRAM。

2.4 VGA显示模块

要把存储器里的图像在VGA接口显示器中显示,扫描时序是需要我们构造的。不同的显示模式和刷新频率下,具体同步信号前、后、

同步信号、有效像素数是不同的,要根据像素时钟频率来设置。本系统从缓存中读出的图像大小为640×480,59.94 Hz(60 Hz)。

3 系统仿真和结果分析

我们采用SignalTap II嵌入逻辑分析仪和ModelSim进行联合测试与仿真。仿真结果完全符合系统的实时要求。

在Quartus II下在完成了整个系统工程的调试和验证后,通过Compilation仿真的Compilation Report可以看出系统的资源消耗,整个硬件系统消耗的逻辑资源为5%,实验表明,还有大量资源可以应用于其他模块。本系统实现了实时图像采集,为之后的实时图像预处理和分析做准备。这些信息可以用于图像分析、目标识别以及图像滤波等领域。利用本课题所采用的开发环境可以进一步开发出更复杂的图像算法和创建更复杂的系统功能,使整个视频图像处理系统达到全面集成化,最终达到资源的充分利用。

参考文献

[1]张志刚.FPGA与SOPC设计教程DE2实践[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[2]李贵华,夏磊,韦先霜,等.基于SOPC的VGA显示技术的研究[J].计算机与数字工程,2007(2):138-139.

[3]胡瑶荣.基于FPGA的实时视频采集系统[J].电视技

术,2005(2):81-83.

[4]胡晓飞,殳国华,张士文.基于视频处理芯片和CPLD的实时图像采集系统[J].电子技术,2002(10):28-30.