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Computer Science and Application
计算机科学与应用
, 201
4, 4
,
19-22
http://dx.doi.org/10.12677/csa.2014.41004
Published Online
January 2014 (http://www.hanspub.org/journal/csa
.html
)
Design and Implementation of a Video Image Capture and
Display System Based on FPGA
H
ui
Peng
Department of Information Technology and Management, Zhejiang Police Academy, Hangzhou
Email:
penghui@zjjy.com.cn, 47437998@qq.com
Received: Nov. 29
th
, 2013; revised: Dec. 22
nd
, 2013; accepted: Jan. 5
th
, 2014
Copyright © 201
4 Hui Peng
. This is an open access article distributed under the Creative C ommons Attribution License, which permits unrestricted
use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of th e Creativ
e Commons Attribution
License all Copyrights
© 201
4
are reserved for Hans and the o wner of the intellectual property
Hui Peng
. All C opyright © 201
4
are guarded by l
aw
and by Hans as a guardian.
Abstract:
For
the
high
-demand
field
of
r eal
-
time
i
mage processing, this system designs and implements a video image
acquisit
ion and di
s
play system based on FPGA using the latest syste m
-on-programmable-
chip technology. It
is
based on
the NIOS II core controller, and integrates the image acquisition, image processing and storage, image display function
on
a single pr
o
grammable logic d evice FPGA. The experimental results show that th e system is easy to transplant, co
nve-
nient for cus
tom specific application,
greatly reduces the cost a nd provide s a n im portant reference for other simi
lar d
e
sign s.
Keywords:
System
-On-
Programmable
-
Chip
;
Image Acquisition
; VGA; F
PGA
; Real T im e
基于
FPGA
视频图像采集及显示系统的设计与实现
彭
辉
浙江警官职业学院信息技术与管理系,
杭州
Email:
penghui@zjjy.com.cn, 47437998@qq.com
收稿日期:
2013
年
11
月
29
日;修回日期:
2013
年
12
月
22
日;录用日期:
2014
年
1
月
5
日
摘
要:
针对图像处理实时性要求高的领域,利用最新的可编程片上系统技术,设计并实现了基于可编程逻辑
器件
FPGA
的视频图像采集及显示系统
。
系统以
NIOS II
软核为主控制器,
将图像采集
、
图像处理及存储
、
图像显
示等功能集成在单片可编程逻辑器件
FPGA
上,实现了实时视频图像的采集
、
处理及显示
。
实验结果表明,系统
有着易于移植
、
便于针对特定应用定制
、
成本大幅降低等优势,具有较高的工程应用与参考价值
。
关键词:
可编程片上系统;图像采集;
VGA
;
FPGA
;实时
1.
引言
随着可编程逻辑器件的发展,使得它在图像尤其
是视频图像领域的应用趋于广泛,并已经成为对图像
处理实时性要求高的领域如动态目标跟踪
、
生物特征
识别
、
车辆车牌识别等中重要的研究对象
[1,2]
。
因此
,本
文将深入研究基于
FPGA
视频图像采集及显示系统,
对于开发实时高速图像处理系统有着重要的参考意义
。
2.
视频图像采集及显示系统总体框架
本系统的总体框架如图
1
所示,采用
Altera
的
Cyclone I V EP4CE115F29
器件作为核心控制器,基于
SOPC
技术将主要功能模块集成在同一个可编程逻辑
器件上,同时将一个
NIOS II
软核处理器嵌入到里面,
负责对整个系统的管理和配置,另外内部各模块通过
Avalon
总线互连和通讯
[3]
。
系统前端图像采集器采 用
OPEN ACCESS
19
基于
FPGA
视频图像采集及显示系统的设计与实现
FPGA
VGA
显示终
端
E2PROM
FPGA
配置器件
VGA
解码器
CMOS
图像
传感器
SDRAM
控制器
FLASH
控制器
NIOS II
CPU
Avalon
交
换总线
MDIO
控制器
MAC
控
制器
IIC
控制
器
图像采
集及数
据压缩
模块
图像处理
模块
VGA
控
制器
UART
控制器
RS485
控制器
SDRAM
2x64MB
FLASH
1x8MB
千兆以太网收
发器
1000BASE-
T/TX
1000BASE-X
RS232
串口
Figure 1.
Video capture and display system block diagram
图
1.
视频图像采集及显示系统总体框架图
CMOS
数字图像传感器,
CMOS
图像传感器输出的数
字图像信号,由
FPGA
采集及数据转换模块将其转化
为
30
位的
RGB
信号,并存储到外部
SDRAM
图像缓
存器,经过图像处理模块的预处理后再通过
VGA
显
示模块直接输出到显示终端上,另外也可以通过千兆
以太网通信通道将图像信息传输到后台计算机后处
理
。
3.
视频数据采集及存储
本系统采用
CMOS
数字图像传感器
D5M
,最大
输出图像像素为
2592
×
1944
,图像颜色格式为
Bayer
格式,图像输出格式可以通过
I2C
总线进行配置,支
持多种常用的格式比如
VGA
、
SVGA
、
XGA
等,另外
增益、暴光时间等参数也可以动态调整。
CMOS
图像
传感器将接收的光信号转换成电信号,
并通过片内
12
位
A/D
转换器将模拟信号转换成
12
位的数字信号,
图像数据输出时序如图
2
所示
。
由于视频数据量较大,实时性要求较高,所以本
系统的图像存储部分由两片数据位宽为
16
位的
SDRAM
芯片构成,
通过
ALTERA
专用
AVALON
总
线连接到
NIOS II
软核
。本系统中
CMOS
图像传感器
输出的
Bayer
图像数据转换成
30
位
RGB
数据后,为
了提高存储器带宽利用率,将
R[9:0]
和
G[9:5]
存入到
第一片
SDRAM
中,将
G[4:0]
和
B[9:0]
存入到第二片
SDRAM
中,并且采用乒乓缓存思想,将
SDRAM
划
分成两块独立存储块,当其中一片存储块用于采集后
图像数据写入时,另一片存储块用于显示图像数据的
读出,具体实现过程为系统初始化后,将两帧图像数
据分别存入两块存储块,后续当偶数帧的帧同步信号
下降沿时触发控制器去读前一个奇数帧所在存储块
,
OPEN ACCESS
20
基于
FPGA
视频图像采集及显示系统的设计与实现
如此循环,周而复始
。
4.
视频图像显示
处理后视频图像数据经过数模转换芯片
AD7123
转换成一定格式的模拟信号,最终在
VGA
显示设备
上显示
,显示模块的具体连接关系
如下图所示
。
VGA
的同步信号由
FPGA
直接产生,
VGA
标准时序如图
3
所示
[4]
。
根据图
4
所示时序编写
VGA
显示控制程序,产
生
VGA
相关同步信号,同时送出
25
MHz
给
AD7123
,
将
RGB
视频数据输出到
VGA
设备上
。
本系统中的显示模块可以根据前端图像采集模
块的输出自动通过
NIOS II
配置输出其他常用格式的
视频,比如
SVGA(60
Hz)
、
XGA(60
Hz)
等
。
5.
实验结果
使用编程工具将编译好的
FPGA
配置文件下载到
硬件平台上,采集及显示效果如图
5
所示
。
系统可以
实时采集并显示图像,完全达到了本文的设计要求
。
6.
结束语
本文设计并实现了以
FPGA NIOS II
软核为核心
的视频图像采集及显示系统,由于采用了片上可编程
系统技术
,使整个图像采集显示系统有着易于移植
、
便于针对特定应用定制
、
成本大幅降低等优势,具有
较高的工程应用与参考价值
。
像素时钟
帧有效
行有效
图像数据
P0 P
1 P
2 P
3
P
4 P
5 Pn
垂直消隐 水平消隐有效图像数据水平消隐垂直消隐
Figure 2. CMOS image
sensor data output timing
图
2.
CMOS
图像传感器数据输出时序
Figure 3.
Functional parts connection relationship diagram in display module
图
3.
显示模块各功能部件连接关系图
OPEN ACCESS
21
基于
FPGA
视频图像采集及显示系统的设计与实现
有效视频数据
RGB
视频数据
水平同步
同步脉冲宽度
行消隐后肩 行消隐前肩
有效视频数据
RGB
视频数据
场同步
同步脉冲宽度
场消隐后肩 场消隐前肩
3.
8
us
1.9us 0.6us
25.4us
2
行
33
行
10
行
480
行
Figure 4.
VGA standard timing
图
4.
VGA
标准时序图
Figure 5.
Video capture and display result
图
5.
采集及显示效果图
参考文献
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