数字图像倍焦系统设计与实现综合实例之：设计需求分析与芯片选型

12.1 设计需求分析与芯片选型

在数字图像处理和通信、遥感图像分析、医学成像诊断等应用领域，为了便于显示、观察或进行进一步的处理，常常需要对原始的数字图像进行特征提取(如边缘检测、边缘锐化)、噪声平滑滤波、几何校正、尺寸缩放等处理，这类图像处理技术称为图像的预处理。在实际应用中，图像的预处理功能很多可以通过FPGA来实现。

基于FPGA的图像处理系统最大的优点就是灵活性，可以实现高度集成性，缩小产品的体积。而且，可以实现创新性的设计。

本系统要实现的功能是对光学或者红外摄像机器输出的视频信号（模拟）进行数字倍焦处理。这样可以实现焦距拉长一倍的光学效果，然后仍然以原有的信号格式输出，送给显示设备。

12.1.1 需求分析

下面讲解数字图像倍焦系统的输入输出特性及系统指标。

1．系统输入信号指标

（1）视频输入制式：PAL制式。扫描方式为隔行扫描。

（2）同步模式：内部同步。

（3）电气特性：峰峰值为1.0V，阻抗为75W，BNC接口。

（4）分辨率：570线TV标准，数字化后为720´576，每秒25帧。

2．系统输出信号指标

（1）视频输出制式：PAL或者NTSC可选，可以通过开关来切换。扫描方式为隔行扫描。

（2）同步模式：内部同步或者外部同步。

（3）电气特性：峰峰值为1.0V，阻抗为75W，BNC接口。

（4）分辨率：570线TV标准，模拟化之前为720´576，每秒25帧。

3．其他系统指标

（1）电路板体积：长´宽´高小于40mm´40mm´20mm。

（2）电路板供电和功耗：单＋5V供电，功耗小于1W。

12.1.2 芯片选型

本系统的主要功能是完成图像的实时插值放大算法，同时对体积和功耗有严格的要求。根据上面提出的指标进行如下的设计分析。

1．主芯片选型分析

对于放大算法实现，主芯片可以选择FPGA、DSP和ARM三种方案。

基于ARM的系统不能和视频的编解码芯片直接互联，需要外围器件较多，电路体积会比较大。基于DSP的系统虽然能和视频的编解码芯片直接互联，体积可以满足要求，但是功耗会超标。因此，基于FPGA的方案是最佳的选择。

由于本系统要求能够扩展5V的数字I/O，所以FPGA要能够兼容5V的信号输入。因此，选择Altera公司的ACEX1K系列FPGA器件。这个系列的芯片IO电压是3.3V的，但是输入支持5V电平。

2．信号输入输出选型分析

在视频信号处理领域，把模拟视频信号转换成数字视频信号的芯片称为视频解码器（Video Decoder），如SAA711x系列。而把数字视频信号转换成模拟视频信号的器件称为视频编码器（Video Encoder）。

本系统中，视频解码器选择了应用广泛的SAA7113H，视频编码器选择了SAA7128H。

3．其他单元电路选型分析

另外，为了满足图像插值放大算法要求，需要在信号采集系统中采样缓冲区。采集的信号速率越高，需要的缓冲区容量越大，以保证不丢失数据。

本系统中，采用了乒乓缓冲区的策略来完成数据的输入输出缓冲区管理。因此，选用了两片SRAM类型的存储器。相对于SDRAM器件，SRAM器件的控制方法更为简单，功耗也相对较低，可以满足本系统的要求。

电源部分选择了电路简单的线性电源模块（LDO）。本系统属于低功耗系统，工作电流比较小，因此采用LDO芯片比较适合，如AS1117系列芯片。

4．电路板结构设计

本系统对体积有严格要求，如果采用标准单板设计很难达到设计要求，因此，考虑层叠式的电路结构。将整个电路分成两块电路板，通过连接器，层叠式安装。这种结构可以充分利用空间，适合这种长宽要求严格，但是高度方面相对宽松的系统。