基于DSP和FPGA的实时图像压缩系统设计

目前使用的图像采集系统输入信号通常为PAL或者NTSL制式的CVBS复合信号，压缩速度25帧/s(PAL)或者30帧/s(NTSC)。但在工业控制、航天以及安防领域，有时需要监测快速移动的目标，或者瞬间发生的物理现象，事后还要对数据进行分析、处理。为了提高测量精度，通常需要采用高频帧图像采集系统。本文针对某Camera Link接口的图像传感器，设计了一个高频帧图像采集系统，该系统能够每秒采集100帧，并对其进行JPEG压缩，压缩完的数据通过RS422传输至远处的监测系统。

1 系统工作原理及硬件设计

系统由Camera Link接口模块、以FPGA为核心的图像采集预处理与传输单元、以DSP为核心的图像压缩单元以及RS422远距离数据传输单元组成。由于采集、处理均需要访问存储器，为了降低成本，采用普通的异步SRAM，按功能区分可分为采集SRAM和压缩处理SRAM。读写逻辑由FPGA控制，采用乒乓机制进行切换。整个系统结构如图1所示。



系统工作过程：图像信号经由LVDS转换芯片后转换成LVTTL信号，直接传送至FPGA解码为8位数据，以字节方式一行一行写入SRAM静态存储器(存储器由两部分组成)，用于乒乓缓存输入数据，每部分满1帧后由FPGA控制送出帧中断给DSP，DSP启动EDMA读入1帧数据，采用JPEG2000方式编码后连续写入到FIFO_OUT，FPGA负责从FIFO_OUT读出数据，非空即读，缓存积累不会超过1帧数据。读出的数据另行打包后以9 Mb/s的码率通过DS26LV31 422接口芯片从out1接口输出，或者分流后从out1和out2以各4.5 Mb/s的码率输出。

2 FPGA功能模块设计

2.1 Camera Link接口模块

Camera Link接口模块负责对高频帧数字摄像头输出的LVDS信号转换为TTL标准信号。

关于Camera Link的采集数据的逻辑代码，关键之处在于产生存储器的地址信号、存储器写信号以及在对应的地址处将数据稳定地写进存储器。本系统用像素时钟产生列地址计数器、行同步信号产生行地址计数器，两者拼接产生存储器的地址信号。这样产生的有效地址虽然不连续，但意义明确，而且有利于显示部分的隔行隔列显示。对于8 bit的数据，可将2个有效数据拼接成16 bit后再存储，这样可以提高FPGA读写存储器的速度。

Camera Link接口时序如图2所示。



图2中：VD为帧同步信号，电平模式，高电平有效；HD为行同步信号，脉冲模式，上升沿有效；PCLK为像素同步时钟，脉冲模式；DATA为10 bit图像数据，在PCLK的下降沿推出，接收端在PCLK上升沿采集，PCLK为常运行模式。每个VD有效期内有480个HD有效信号，在第0"478个HD有效时，每个HD有效期间有600个有效图像数据，第479个HD(即每帧的最后1行)有效时，前600个DATA为有效图像数据，600个DATA后预留6个字节输出图像相关信息，即第D600"D605为预留字节。

2.2 SRAM乒乓缓存

在图像采集处理系统中，DSP的压缩算法在实现时间上往往并不是固定不变的，然而前端的采集模块却使用均匀速度对图像进行采集，这样存在时间上的不同步，有可能会导致图像数据的丢失和影响帧数据的完整性。为此，本系统在采集和压缩模块之间增加1个缓冲电路来解决这一问题。

常用的缓冲电路主要有3种：双口RAM结构、FIFO结构和乒乓结构。由于乒乓结构可以使用相对比较便宜的高速大容量SRAM，而且可以实现数据的连续性，因此本系统采用了乒乓结构双SRAM作为视频数据的缓冲。在将1帧图像的数据全部存储完以后，DSP再利用很短的时间直接将1帧图像数据读入片内，这样既可以保证不丢失像素数据、DSP可以连续采集每1帧像素数据，又能为DSP留出更多空余时间，为后面进行图像处理提供可能。为了实现数据帧的完整性，必须保证读取数据帧的优先级要高于写数据帧的优先级，所以本系统的数据输入输出单元是根据数据处理流程来进行切换的。

乒乓控制模块按照功能还分为：S0、S1、S2、S3 4个转换状态。其中，状态S0为初始化状态(所有信号都处于初始化状态)，系统加电或者复位后进入此状态；在S1状态，主要负责对SRAM0的写入，不可以对SRAM1进行读操作；在S2状态，主要负责对SRAM1进行写操作，对SRAM0进行读操作，当SRAM1写完后，如果SRAM0未读完，则继续处于状态S2，如果SRAM0读完，则进入状态S3；在S3状态，主要负责对SRAM0进行写操作，对SRAM1进行读操作，当SRAM0写完后，如果SRAM1未读完，则继续处于状态S3，如果SRAM1读完，则进入状态S2。乒乓控制模块状态转换图如图3所示。



SRAM乒乓电路如图4所示。图中，wr_data为Camera Link接口接收到的只包含灰度信号的图像数据。为了方便图像数据的管理，每个像素、每行的像素都对应到了SRAM的固定地址，所以wr_addr为该像素在SRAM中的地址，同时也可以表示该像素在一幅图像中的位置。CHANNEL_SEL为读SRAM的标志位，0代表SRAM0，1代表SRAM1。



2.3 FIFO缓存模块和RS422传输模块

由于DSP向RS422模块传输数据并不是匀速传输，而且传输速度比RS422的传输速度快很多倍，所以必须采用FIFO模块。