基于FPGA的实时视频信号处理平台的设计，包括电路图及源代码

摘要：

介绍了一种实时视频信号处理平台的设计，该系统接收低帧率数字YC_bC_r视频信号，利用一片DDR2 SDRAM存储器作为帧缓存，对接收的视频信号进行格式转换、帧率提升、图像放大、色空间转换，使输入的视频信号可以在VGA显示器上实时显示；并研究了一体化摄像机光学镜头中变倍电机和聚焦电机的控制原理，实现了步进电机初始位置检测、图像变倍时变倍电机与聚焦电机的配合驱动，为了适应不同物距变倍跟踪，实现了灰度差分自动聚焦算法，实时计算当前帧图像的聚焦评价函数值，采用爬山搜索策略实现对聚焦电机的控制，使当前图像的聚焦函数值最大，实现图像的自动聚焦。整个设计采用VHDL语言实现，在Xilinx XUPV5-LX110T FPGA开发板上验证。利用该平台还可实现图像的压缩编码、解码、本地存储及以太网传输等功能。

关键词：视频处理；DDR2 SDRAM；帧率提升；自动聚焦；FPGA；一体化摄像机

1. 引言

随着半导体技术的发展，图像传感器的分辨率有了很大提高，但由于处理数据量巨大，图像传感器输出高分辨率图像时帧率一般较低，其输出图像不能直接在VGA显示器上显示。为了使高分辨率图像传感器采集的图像在VGA显示器上实时显示，需要对其输出的图像进行帧率提升、色空间转换等后端处理。目前，市场上常用的视频处理芯片有PixelWorks公司的PW1226、Tvia公司的TrueView5725、Averlogic公司的AL250、威斯达公司的WSC2000等。采用上述视频处理芯片可实现视频图像的帧率提升、图像增强等功能，但由于其功能固定，不能适用于一些特殊应用场合，如图像存储、自动聚焦等。

一体化摄像机指内置光学镜头，具有变倍、自动聚焦功能的摄像机，其结构小巧、使用方便、监控范围广，已广泛应用在教学视频展台、视频监控等领域。变焦控制可实现图像的变倍、自动聚焦，是一体化摄像机中的关键技术之一。步进电机可将电脉冲信号转换成角位移，每接收一个脉冲信号就可驱动步进电机转动一个固定角度，实现物体的准确定位，通过控制脉冲的频率可控制电机转动的速度，步进电机已广泛应用于高精度控制系统中。一体化摄像机光学镜头中包含变倍步进电机与聚焦步进电机，变倍电机转动时，为使图像聚焦清晰，聚焦电机也应随之转动，具体转动步数与物距有关，具体参数可由镜头生产厂家提供的变焦跟踪曲线获得。为了适应不同物距的清晰成像，变倍跟踪结束后，还应进行自动聚焦，以显示清晰的图像。

图像聚焦程度与其高频分量有关，图像聚焦时，其包含的高频分量最大，图像最清晰，通常采用聚焦评价函数来描述图像的清晰程度。常用的聚焦评价函数主要有：高频分量法、平滑法、阈值积分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函数等。为了提高聚焦速度，本项目采用灰度差分法实时计算每场图像的聚焦函数值，判断当前图像的清晰与否，采用爬山搜索策略，实现图像的快速自动聚焦。快速自动聚焦的实现与变倍跟踪曲线的精度、自动聚焦算法的优劣、搜索策略、电机驱动速度等因素有关。

由于FPGA 器件的可并行处理能力及其可重复在系统编程的灵活性，其应用越来越广泛。同时随着微处理器、专用逻辑器件、以及DSP算法以IP Core的形式嵌入到FPGA中，FPGA可实现的功能越来越强，FPGA在现代电子系统设计中正发挥着越来越重要的作用。本项目设计的实时视频信号处理平台利用XUPV5-LX110T FPGA开发板，并自制了视频图像采集板，采用22倍一体化光学镜头，利用FPGA开发板上的一片DDR2存储器作为帧缓存，已实现的图像的帧率提升、图像放大，并实现灰度差分自动聚焦算法，实时计算当前图像的高频分量，利用爬山搜索策略控制聚焦步进电机的转动，实现图像的自动聚焦，在该开发平台上还可实现视频图像的压缩编码、解压缩、本地存储、网络传输等功能。

2.设计性能指标

该平台可将CMOS彩色图像传感器输出的分辨率为736*576、帧率为12Hz的8位YC_bC_r视频信号放大到分辨率为1024*768、帧率为60Hz的24位RGB信号，经过Xilinx XUP Virtex-5LX110T开发板上的DVI转换器（CHRONTEL CH7301），可通过DVI接口在显示器上直接显示，或通过DVI-VGA转接口在VGA接口的显示器上显示。同时，实现了图像的变倍跟踪、自动聚焦功能，具体性能指标如下：

（1）输入视频图像分辨率736*576、帧率12Hz、8位YC_bC_r视频信号；

（2）输出图像分辨率1024*768、帧率60Hz，以DVI或VGA接口输出；

（3）具有黑白/彩色转换、图像冻结、OSD等功能；

（4）16倍光学变倍；

（5）变倍放大后具有自动聚焦功能，自动聚焦执行时间在2秒以内；

（6）支持输入图像的压缩编码、解码、本地硬盘存储及以太