基于FPGA的实时视频处理器的应用设计

摘要

以视频信息为主的多媒体技术是本世纪最具时代特征和最富有活力的研究与应用领域之一。“百闻不如一见”深刻的揭示了视觉信息的重要性，视频通信能实现人们在任何时候、任何地方、以任何方式与对方进行最直观的通信；伴随着通信、计算机、广播电视技术的发展，特别是微电子技术的进步，为实时视频信息处理和通信提供了实现的可能；且随着网络通信技术和多媒体技术的飞速发展，使得视频、图像、计算机视觉、多媒体数据库和计算机网络技术日益融合，特别是在工业、医学、商业和军事等领域，实时视频处理技术已处于核心地位；又由于实时视频待处理的数据量大、实时性要求高、通常还包含有诸如分割、检测、标记、识别等比较复杂的算法，这就需要容量大，速度快的实时处理芯片；然而，Altera公司推出的可编程片上系统（System On Programmable Chip,SOPC）以及NiosII软核处理器的出现，进一步满足了高可靠性，高速实时处理的行业需求，特别是与其相配套的可编程逻辑技术与模块化设计思想正成为全球设计的大势所趋。 本论文首先介绍了通过对目前国内外实时视频处理技术的发展现状以及现行国际上实时视频处理技术的最新设计思想作深入的调研，结合本课题设计方案，初步提出了系统设计预期的性能指标参数，根据性能指标确定系统设计的主要构架。设计根据实时视频信号的标准及其系统预期的性能指标要求，提出了一种基于FPGA的实时视频处理器系统的设计方案，以替代传统的“DSP+ASIC”构架。系统开发采用Altera公司FPGA技术的硬件开发平台和软件开发环境。 其次，详细叙述了系统总体方案设计，以及系统的硬件、软件设计；设计突出了SOPC技术的优点，在单片FPGA内部实现系统硬件电路及软件平台的搭建，设计采用模块化的开发流程，实现系统各个功能模块以及系统与外设各个连接接口的功能模块设计；系统完成从原始模拟视频信号的输入、解码以及进行色度空间转换，经过视频处理，以至将处理后的视频信号通过VGA显示接口输出。同时，系统嵌入了NiosII软核处理器，通过调用NiosII软核处理器读取SD卡提供的图片和音频信息，实现系统的图片显示、菜单显示、音频、视频实时处理及播放等功能。 最后，记录了系统硬件和软件连调以及其性能测试的全过程，对实验结果进行分析和性能优化，并根据试验结果提出展望。 系统设计充分发挥了NiosII软核处理器及SOPC Builder提供的IP核功能，简化硬件电路设计，使得开发精力集中在系统功能实现和算法设计上，缩短了系统开发周期，提高了设计效率；利用FPGA的可编程特性，使得系统的电路设计及其算法具有良好的可移植性和可重构性，便于系统的扩展和升级，增强了系统的灵活性和完整性。实验测试结果表明，系统硬件及软件运行稳定，测试结果各项指标基本满足系统预期的性能指标要求，且该系统开发成本低，系统功耗小，具有极强的市场竞争力。