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

网传输。

3. 系统方案

系统结构如图1所示。

图像传感器输出分辨率为736*576、帧率为12Hz的8位YC_bC_r视频信号，并输入到FPGA，FPGA利用外部一片DDR2存储器内的两个Bank空间作为帧缓存，采用乒乓存储机制将输入的视频帧率由12Hz提升到60Hz，将视频信号由YC_bC_r空间转换到RGB色空间，分辨率由736*576放大到1024*768，并产生1024*768@60Hz的行场时序扫描信号，FPGA输出的数字视频信号经D/A转换后，输出到VGA接口，从而图像传感器采集的图像可在VGA显示器上实时显示。

FPGA输出变倍电机和聚焦电机驱动信号，并经H桥驱动电路放大后输出到光学镜头，同时，光学镜头将变倍电机和聚焦电机的位置检测信号反馈输出到FPGA，用以检测当前电机位置。

系统上电后，FPGA判断光学镜头返回的变倍电机位置检测信号和聚焦电机返回的检测信号，若检测信号为低电平则驱动电机向靠近图像传感器方向转动，直至检测信号为高电平，在电平跳变处停止，同理，若检测信号为高电平，则驱动电机向远离传感器方向转动，直至检测信号为低电平，在电平跳变处停止，以上则完成对电机的初始化。初始化结束后，则驱动电机转动到一固定放大倍数位置。电机变倍时，变倍电机转动一定步数，同时驱动聚焦电机转动对应步数，具体步数可根据变倍跟踪曲线获得，变倍结束后，FPGA从输入的视频信号中提取亮度Y信号，采用灰度差分聚焦算法，实时计算当前帧图像的高频分量，图像完全聚焦时，图像聚焦评价函数值最大。利用爬山搜索策略，控制聚焦电机的转动，使当前图像的聚焦函数值最大，即当前图像最清晰，从而实现了图像的自动聚焦，从而可保证每次变倍结束后得到清晰的图像。

该视频信号处理平台可对输入的视频图像进行压缩编码（H.264、AVS等算法），通过硬盘控制器模块实现压缩图像的本地存储，并通过内部以太网控制器模块将压缩后的数据输出到FPGA开发板上的以太网物理层芯片，进而通过RJ45网络接口进行以太网传输，还可通过以太网接收压缩的视频数据流，进行解码，并通过后端处理在本地播放。

4. 系统设计

本项目采用现代EDA设计常用的“自顶向下”的设计方法，进行功能划分并按模块化设计原则，FPGA内部功能模块如图2所示。

数字视频信号输入到FPGA后，首先进入前端处理模块，前端处理模块主要实现了对外部光学电机的控制，该模块对输入的视频信号进行格式转换并提取亮度Y信号，根据亮度Y信号实现了灰度差分自动聚焦算法，并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，利用灰度差分自动聚焦算法获得的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。

图像处理模块可实现图像的压缩编码（可实现H.264、AVS等压缩算法）、本地硬盘存储，并通过以太网控制器实现压缩图像的网络传输，该模块还可通过以太网接收压缩视频流，进行解码，并通过后端处理模块进行图像显示。

后端处理模块接收前端处理模块输入的视频信号，或接收图像处理模块解码的视频信号，主要实现了图像的帧率提升、图像放大、色空间转换，使输入的低帧率YC_bC_r视频信号在DVI接口显示器或VGA显示器上实时显示。下面详细介绍各模块的功能及实现方法。

1. 前端处理模块

该模块接收输入的YC_bC_r格式8位数字视频信号，进行格式转换，转换成16位YC_bC_r（4:2:2）格式，根据亮度Y信号，采用灰度差分算法计算当前帧图像的高频分量。

该模块输出变倍电机和聚焦电机的驱动信号，经H桥驱动放大电路后输出到光学镜头，同时，光学镜头将变倍电机和聚焦电机的位置检测信号反馈输出到该模块，用以检测当前电机位置。

系统工作时，首先判断光学镜头返回的变倍电机位置检测信号和聚焦电机返回的检测信号，若检测信号为低电平则驱动电机向靠近图像传感器方向转动，直至检测信号为高电平，在电平跳变处停止，同理，若检测信号为高电平，则驱动电机向远离传感器方向转动，直至检测信号为低电平，在电平跳变处停止，以上则完成对电机的初始化。初始化结束后，则驱动电机转动到一固定放大倍数位置。电机变倍时，变倍电机转动一定步数，同时驱动聚焦电机转动对应步数，具体步数可根据变倍跟踪曲线获得，变倍结束后，该模块计算当前场图像的高频分量，判断当前图像的清晰度，并采用爬山搜索策略驱动聚焦电机，以实现图像的自动聚焦，从而可保证每次变倍结束后得到清晰的图像。

前端处理模块可分为以下功能子模块：格式转换、电机初始化、变倍跟踪、搜索、自动聚焦算