基于FPGA+DSP架构的视频监控系统的设计与实现

摘要

随着视频数字化的实现、数字信号处理技术的迅猛发展，视频监控系统已经从传统的安防领域走进了工业、交通、教育、军事、娱乐等各个方面。大范围的应用也对视频监控技术提出了更高的要求。现代的视频监控技术面临着设备体积小、功耗低、处理数据量大、视频处理算法复杂、应用灵活多样的严峻挑战。过去常用结构的视频监控系统已渐渐没有办法满足现在的性能。
　　伴随着大规模集成电路技术和纳米微电子技术已日益先进，FPGA的性能越来越强大，成本越来越低，其资源越来越丰富，基于 FPGA的视频监控系统由于可通过并行方式来对数据进行处理运算，不仅大大提高了视频图像的处理速度，并且由于 FPGA具有丰富的接口、强大的扩展能力和可编程的特点，使得系统设计实现方式多样、消耗时间少、开发费用低。DSP对数字信号的处理能力也越来越强大。利用 FPGA并行的特点来对大数据量但结构简单的算法进行硬件实现，利用 DSP灵活的软件编程来实现复杂的多算法任务，将 FPGA与 DSP进行配合，FPGA主要的工作是数字视频的采集、缓存和预处理，DSP主要的工作是后续复杂视频图像处理算法的实现，将各自的特长进行充分的利用，提高视频监控系统的性能。
　　本设计立足于当前主流视频监控技术的实际情况，结合视频监控技术在应用方面的变化，提出以FPGA+DSP的架构来实现视频监控系统，通过分析传统的视频处理系统并结合以往的相关项目经验，从理论和实际条件论证了方案的可行性，最终确定了系统的架构，FPGA采用Xiline公司主流的Spartan-6系列芯片，DSP芯片采用德州仪器公司基于第三代 Ve loc iTI?架构开发的多媒体 DSP芯片TMS320DM648来作为本系统的核心芯片。本系统通过四路CCD摄像机对自然事物进行视频录制将图像转化为模拟视频信号，这些信号经过解码芯片进行A/D转换，输出符合ITU-R BT.656信号格式为的YCbCr4:2:2的数字信号并对这些数据流进行解析，采集的有效信息在SRAM中进行缓存并将数据与DSP进行通信，处理完成的数据送入视频编码芯片进行编码和发送显示，最后通过显示器进行一路或四路同时显示和切换。
　　本文的主要工作内容是根据系统需求和质量要求完成主要芯片和器件选择，对整个实际电路进行了设计实现，并且利用ISE软件工具和硬件描述语言完成FPGA内部功能模块的设计和仿真验证，实现了采集、解码、缓存和输出显示，并根据应用的实际情况，实现了通道切换、复合等功能。总的来说，本文从软件和硬件两个方面完成了对系统各个模块的设计与实现，最后通过实际试验分别对系统的单路显示、四路显示和显示切换功能进行了验证，结果表明系统功能能够正确实现，达到了预期目标。

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第一章 绪论

1.1 课题应用背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文安排

第二章 视频图像处理理论与知识

2.1 视频的简介

2.2 视频制式

2.3 数字视频信号

2.4 本章小结

第三章 总体系统设计及硬件实现

3.1 总体系统架构设计

3.2 系统的硬件实现

3.3 电路可靠性设计

3.4 本章小结

第四章 功能模块的设计实现

4.1 FPGA的开发简介

4.2 FPGA功能需求

4.3 视频数据采集

4.4 视频数据缓存

4.5 视频帧合成

4.6 视频的切换与复合

4.7 本章小结

第五章 系统功能验证

5.1 系统调试

5.2 系统功能验证

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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