一种嵌入式的实时视频采集系统

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第４－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》机器人技术一种嵌入式的实时视频采集系统ＡｋｉｎｄｏｆＥｍｂｅｄｅｄＲｅａｌ－ＴｉｍｅＶｉｄｅｏＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（中北大学）李志刚王明泉任少卿杨静ＬＩＺｈｉ－ｇａｎｇＷＡＮＧＭｉｎｇ－ｑｕａｎＲＥＮＳｈａｏ－ｑｉｎｇＹＡＮＧＪｉｎｇ摘要：设计实现了一种智能移动机器人的前端视频采集系统，该系统采用视频解码芯片ＳＡＡ７１１１Ａ和灵活可配置的ＦＰＧＡ芯片实现了实时的视频采集，满足了机器人后续视频处理的需要。

实验证明：该系统具有结构简单、可靠性高、使用灵活和性价比高等优点。

关键词：ＦＰＧＡ；ＳＡＡ７１１１Ａ；视频采集中图分类号：ＴＮ９１１．７文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｖｉｄｅｏｆｒｏｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒＵｎｍａｎｎｅｄＶｅｈｉｃｌｅａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｙｓｔｅｍｗｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｙｖｉｄｅｏａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｓｐｅｃｉａｌｖｉｄｅｏｄｅｃｏｄｅｒＳＡＡ７１１１ＡａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＦＰＧＡ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｃｏｓｔｒａｔｉｏ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＳＡＡ７１１１Ａ；ＶｉｄｅｏＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０４－２－０２２６－０３１引言随着中国机器人产业的迅猛发展，据预测到２０１０年，市场容量将超过９３．１亿人民币。

智能移动机器人是在室外环境中，将视频图像采集回来之后，按照预先给定的目标任务，结合已知的地理信息做出路径规划，在行驶的过程中能够不断感知和判断周围的环境信息，自主地做出各种决策，随时调整自身的行驶状态并执行相应的动作和操作。

在这个过程中，视频采集质量的好坏将直接影响整个系统的运行，是进行后续数字图像处理的前提条件。

因此，必须有高性能的硬件设备和高质量的算法作为基础，实时视频采集才成为可能。

本文设计并实现了基于ＦＰＧＡ的嵌入式实时视频采集系统。

该系统体积小，功耗低，速度快，适应性好，能够满足智能移动机器人视频信号处理系统的需求。

２系统基本原理图１为系统工作原理框图，整个系统所需各种芯片的电路连接如下图所示，由ＣＣＤ摄像头输出模拟视频信号，经过视频解码芯片ＳＡＡ７１１１Ａ进行视频预处理（钳位、放大、Ａ／Ｄ转换、同步分离等）后输出图像数字信号ＩＰＤ、行同步信号ＨＲＥＦ、场同步信号ＶＲＥＦ、奇偶场标志信号ＲＳＴ０和１３．５ＭＨ像素时钟信号ＬＬＣ２去驱动ＦＰＧＡ，从而产生正确的图像采集时序和存储地址，并将采集的图像存储到双口ＲＡＭ中。

整个系统由视频采集控制和帧存读写控制两个核心模块组成，它们的功能都由ＦＰ－ＧＡ来实现。

双口ＲＡＭ分为帧存Ａ和帧存Ｂ两个存储区域，实现乒乓式的读写操作，能够完成图像的实时采集。

ＳＡＡ７１１１Ａ的配置程序和ＦＰＧＡ采集控制程序存储在ＦＬＡＳＨ中，系统上电工作时加载。

图１系统工作原理框图３图像采集系统的构成３．１视频信号视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号（帧同步信号）、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。

因而，对视频信号进行Ａ／Ｄ转换的电路也非常复杂。

Ｐｈｉｌｉｐｓ公司将这些非常复杂的视频Ａ／Ｄ转换电路集成到了一块芯片内。

从而生产出功能强大的视频输入处理芯片ＳＡＡ７１１１Ａ，为视频信号的数字化应用提供了极大的方便。

３．２ＳＡＡ７１１１Ａ性能及工作协议ＳＡＡ７１１１Ａ是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的一种增强型视频输入处理器芯片，它集Ａ／Ｄ与解码功能于一身，片内还附有锁相、自动钳位控制、时钟自动增益产生、多制式解码等电路，另外还可对亮度、对比度和饱和度进行控制。

既支持ＰＡＬ电视制式，又支持李志刚：在读硕士研究生基金项目：中国博士后科学基金资助项目（２００５０３８０９５）；山西省自然科学基金资助项目（２００５１０４３）；中北大学科学基金资助项目２２６－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新机器人技术《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注ＮＴＳＣ电视制式。

ＳＡＡ７１１１Ａ内部含有Ｉ２Ｃ接口，可简洁的通过Ｉ２Ｃ总线对ＳＡＡ７１１１Ａ的工作方式进行设定。

ＳＡＡ７１１１Ａ的场同步信号ＶＲＥＦ、行同步信号ＨＲＥＦ、奇偶场信号ＲＳＴ０、像素时钟信号ＬＬＣ２都由引脚直接引出，从而省去了以往时钟同步电路的设计，其可靠性和方便性有了很大的提高。

图２所示为ＳＡＡ７１１１Ａ的功能方框图。

从ＳＡＡ７１１１Ａ的四个模拟输入端ＡＩ１１，ＡＩ１２，ＡＩ２１，ＡＩ２２输入的视频图像信号，经模拟处理后，一路经Ａ／Ｄ转换器后产生数字色度信号和亮度信号，分别进行亮度信号处理和色度信号处理。

亮度信号处理的结果一路送到色度信号处理器，进行综合处理，产生Ｙ和ＵＶ信号，经格式化后从ＶＰＯ（１６位）输出；另一路进入同步分离器，经数字ＰＬＬ产生相应的行和场同步信号ＨＳ和ＶＳ，同时ＰＬＬ驱动时钟发生器，产生与ＨＳ锁定的时钟信号ＬＬＣ和像素时钟信号ＬＬＣ２。

所有这些功能均是在Ｉ２Ｃ总线控制下完成的，其中ＳＣＬ为串行时钟信号，ＳＤＡ为串行数据信号。

图２ＳＡＡ７１１１Ａ功能方框图ＳＡＡ７１１１Ａ的主要特点：（１）可编程选择四路视频输入的一路或两路，组成不同的工作模式，在其内部有两路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制，还有两路模数转换器；（２）可对芯片编程进行自电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波；（３）场频５０Ｈｚ或６０Ｈｚ自动检测，并在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制之间自动切换；（４）能对不同输入制式的亮度信号和色度信号进行处理，并实现亮度、色度和饱和度的片内控制；（５）提供两种数据方式供选择，这两种数据方式分别是ＲＧＢ和ＹＵＶ，可灵活输出不同的数字图像数据格式，主要有：４：１：１的ＹＵＶ格式（１２ｂｉｔ），４：２：２的ＹＵＶ格式（１６ｂｉｔ），４：２：２的ＹＵＶ格式［ＣＣＩＲ－６５６］（８ｂｉｔ），５：６：５的ＲＧＢ格式（１６ｂｉｔ）和８：８：８的ＲＧＢ格式（２４ｂｉｔ）；（６）ＳＡＡ７１１１Ａ的工作模式由其内部的控制寄存器决定，需根据不同的视频标准来配置相应的内部寄存器，即初始化。

用户根据Ｉ２Ｃ总线协议，将需要的控制字写入控制地址即可对ＳＡＡ７１１１Ａ进行相应的控制。

这些控制包括：图像数据输出格式、色彩、明暗、饱和度及各种参考信号的输出。

Ｉ２Ｃ总线传送数据的基本时序如图３所示。

图３Ｉ２Ｃ总线的基本时序总线上的数据传输可以是读或写两种方式，其写格式为：其中：Ｓ为总线起始信号；ＳｌａｖｅＡｄｄｒｅｓｓＷ为被控器ＳＡＡ７１１１的寻址字节；Ａ为被控器应答信号；ＳｕｂＡｄｄｒｅｓ为ＳＡＡ７１１１控制寄存器的地址；Ｄａｔａ（ＮＢ）即控制寄存器的配置参数；Ｐ为总线终止信号。

３．３ＦＰＧＡ的采集控制原理ＳＡＡ７１１１Ａ的输出时钟信号包括ＬＬＣ（２７ＭＨｚ）和ＬＬＣ２（１３．５ＭＨｚ），其中ＬＬＣ２为像素时钟频率，每一时钟对应一个１６位像素输出。

行参考同步信号ＨＲＥＦ，高电平表示一行的有效像素，为７２０个ＬＬＣ２周期。

场参考同步信号ＶＲＥＦ高电平时表示输出是有效行图像，单场是２８６行；低电平期间为场消隐信号，是２６个行周期。

ＲＴＳＯ＝１时表示输出为奇数场，ＲＴＳＯ＝０时为偶数场。

输入信号ＦＥＩ为输出使能信号，为０时允许数据输出，为１时数据输出处于高阻状态。

图４，５分别为采集一行和奇数场图像的信号时序图。

图４ＳＡＡ７１１１Ａ采集一行图像的时序图启动采集前必须对ＳＡＡ７１１１Ａ内部的３２个寄存器写入相应的值。

在采集的过程中，仅采集奇场图像信号而不采集偶场图像信号。

因为只采集奇场信号也能得到稳定的图像，而可以利用偶场图像时间等待处理图像。

对有效像素、无效像素、有效行和无效行进行计数，产生ＲＡＭ的地址、读写、选通等控制信号，均由ＦＰＧＡ完成。

由于只采奇场图像，行数也减少为原来的一半，为２８６行，前后各去掉２３行，取中间２４０行。

当ＲＴＳＯ为高电平且ＶＲＥＦ上升沿到来时，标志奇数场开始，启动无效行计数器对ＨＲＥＦ信号进行计数，计满前２３行后，启动有效行计数器，置ＣＯＵＴ信号为高电平，且在水平同步信号ＶＲＥＦ＝１、垂直同步信号ＨＲＥＦ＝１、图５ＳＡＡ７１１１Ａ奇数场采集的时序图奇偶场信号ＲＴＳＯ＝１时，启动无效像素计数器，对ＬＬＣ２二分频后的像素时钟信号进行计数。

ＬＬＣ２二分频后频率降为６．７５ＭＨｚ，每行像素点由原来的７２０点，减少为３６０点，将其截头去尾，前后各去掉２０个像素，取一行中间的３２０个像素点，即得到分辨率为３２０Ｘ２４０的一帧图像。

当无效像素计数器计满前２０后，启动有效像素计数器开始计数，并将数据缓冲器打开，每计一次数，地址发生器加１，产生地址信号，读写信号ＷＲ，选通信号ＲＡＭ＿ＳＥＬ，当一帧图像写完后，置ＦＬＡＧ信号为低，触发中断信号，以便处理器处理图像。

值得注意的是，利用ＦＰＧＡ可以很灵活地控制存入ＲＡＭ存储器中的图像数据量。

这里将图像分辨率设计为３２０Ｘ２４０，实际应用中，可以根据需要灵活设置。

２２７－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第４－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》机器人技术４结束语本文作者创新点：该系统能够完成对视频信号的采集，适应性极强的ＦＰＧＡ主要用于控制图像信号的采集，ＦＰＧＡ除了完成对ＳＡＡ７１１１Ａ配置以外，还完成图像提取处理、图像存储地址产生器等功能。

由于ＦＰＧＡ的在线可编程特性使该系统变得更加灵活。

此外，成熟的编译环境和ＦＰＧＡ与ＳＡＡ７１１１Ａ简单的外围电路大大缩短了开发和调试的周期。

在未来的ＦＰＧＡ中还可以加入图像预处理流程，缩短后续处理时间，因此具有较高的推广价值。

实验表明，系统速度快、可靠性高、实时性好，在视频采集和图像处理方面有着很好的应用前景。

参考文献：［１］邵亮．基于ＦＰＧＡ和嵌入式系统的实时图像处理．浙江大学硕士学位论文．２００５：１－８［２］ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ．ＤＡＴＡＳＨＥＥＴＳＡＡ７１１１ＡＶｉｄｅｏＩｎｐｕｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＶＩＰ）［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］求是科技．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ应用开发技术与工程实践［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５［５］陈朗，王瑞．ＭＰＥＧ－４系统中基于ＦＰＧＡ实现数据采集及预处理［Ｊ］微计算机信息，２００５，９－３：１０９－１１１作者简介：李志刚（１９８２－），男，山西怀仁人，中北大学在读硕士研究生，主要研究方向：信号与图像处理技术；王明泉（１９７０－），男，山西朔州人，博士后，教授，硕士生导师，主要研究方向：一维和多维信号与信息处理、分析与重构，现代无损检测技术，测控技术和工业内视技术；任少卿（１９８１－），男，山西大同人，中北大学在读硕士研究生，主要研究方向：三维数据场可视化技术；杨静（１９８２－），女（回族），天津人，中北大学在读硕士研究生，主要研究方向：Ｘ射线检测缺陷提取及识别技术。