摘要：目前數(shù)字相機(jī)逐步取代模擬相機(jī)應(yīng)用在光電測(cè)量設(shè)備中，因此圖像處理器也逐漸轉(zhuǎn)化為接收數(shù)字視頻的接口，對(duì)數(shù)字圖像處理器檢測(cè)的信號(hào)發(fā)生器的研制也變得十分迫切。本文介紹了一種基于FPGA的兩種數(shù)字視頻格式輸出的視頻發(fā)生器，它可以產(chǎn)生LVDS制式的數(shù)字視頻信號(hào)和CamerLink制式的數(shù)字視頻信號(hào)，而且可以通過(guò)串口對(duì)產(chǎn)生的視頻中的目標(biāo)大小、運(yùn)動(dòng)速度、灰度及背景灰度進(jìn)行實(shí)時(shí)更改。它滿足了對(duì)數(shù)字視頻輸入的圖像處理平臺(tái)的檢測(cè)，具有一定應(yīng)用前景。
0 引言
在光電測(cè)量系統(tǒng)中，需要圖像處理器進(jìn)行圖像采集、處理。而為了對(duì)圖像處理器的圖像采集能力及處理能力進(jìn)行評(píng)估、檢測(cè)，常常需要對(duì)圖像處理器輸入特定視頻，進(jìn)行各項(xiàng)功能測(cè)試。目前隨著數(shù)字化相機(jī)的廣泛應(yīng)用，圖像處理器多采用數(shù)字化接口。而且對(duì)圖像處理器的檢測(cè)要求信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的視頻內(nèi)容越來(lái)越豐富，幀頻越來(lái)越高，而目前檢測(cè)圖像處理器的信號(hào)發(fā)生器多是標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻輸出，如文獻(xiàn)提出的模擬視頻發(fā)生器，有的雖然能產(chǎn)生數(shù)字視頻但內(nèi)容是固定的，如果對(duì)內(nèi)容進(jìn)行更改則需要對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)生器重新編程以達(dá)到要求，比較麻煩，不能滿足日益復(fù)雜的要求。因此靈活改變視頻內(nèi)容的數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)生器的研制變得十分迫切。
本文提出一種數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，此方法可以同時(shí)得到LVDS和CamerLink制式的視頻，供數(shù)字化圖像處理器檢測(cè)使用。本文提出的設(shè)計(jì)方法除可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用外，如果想實(shí)時(shí)更改信號(hào)發(fā)生器輸出視頻的各項(xiàng)參數(shù)，無(wú)需重新改寫程序，只需把該信號(hào)發(fā)生器通過(guò)串口連接到計(jì)算機(jī)上，即可通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)視頻中的目標(biāo)灰度、背景灰度，目標(biāo)大小、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行更改。此外目標(biāo)的背景還可以從板卡上的SDRAM中選取。與以往的視頻信號(hào)發(fā)生器相比，本文提出的信號(hào)發(fā)生器除能產(chǎn)生多種數(shù)字化視頻外，還能靈活更改所產(chǎn)生的視頻各項(xiàng)參數(shù)，因此具有一定應(yīng)用價(jià)值。
1 硬件組成
數(shù)字視頻發(fā)生器主要卣FPGA模塊、單片機(jī)模塊、串行通信模塊、TTL轉(zhuǎn)L,VDS模塊、FTL轉(zhuǎn)CamerL,ink模塊、SDRAM模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1．1 工作原理
數(shù)字式視頻信號(hào)主要由行同步、幀同步、像素時(shí)鐘、圖像數(shù)據(jù)組成。其中行同步?jīng)Q定一行的起始位置，幀同步?jīng)Q定一幀圖像的起始位置，像素時(shí)鐘決定一行有多少列圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)字圖像的組成，可以看出如果想要生成一幅數(shù)字圖像，必須包含上述要素。其行幀信號(hào)同圖像的關(guān)系如圖2所示，其中VSYN表示幀同步信號(hào)，HSYN表示行同步信號(hào)。
其中圖像的采集是從行同步上升沿開(kāi)始后，按像素時(shí)鐘采集的。
本文根據(jù)數(shù)字視頻產(chǎn)生所需的各要素進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。主要通過(guò)FPGA產(chǎn)生行同步信號(hào)、幀同步信號(hào)、像素時(shí)鐘；通過(guò)單片機(jī)+串口通信模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的更改，并把更改后的參數(shù)傳遞給FPGA，供FPGA產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的視頻信號(hào)；通過(guò)視頻制式轉(zhuǎn)換模塊把FPGA生成的視頻數(shù)據(jù)及視頻控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS和CamerLink制式的數(shù)字視頻信號(hào)。
2 FPGA控制模塊
FPGA具有高集成度、高可靠性以及開(kāi)發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，目前逐步成為復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)的理想首選。此外FPGA可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)硬件的邏輯功能，大大減少了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。因此本文以FPGA為核心器件產(chǎn)生視頻信號(hào)，這里選用ALTERA公司的SycloncII系列的EP2C8 F25618N，采用VHDL語(yǔ)言編程生成與數(shù)字視頻有關(guān)的各個(gè)信號(hào)，與單片機(jī)通信接收視頻修改參數(shù)的模塊及得到SDRAM內(nèi)部圖像的模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
信號(hào)發(fā)生器上電后，F(xiàn)PGA通過(guò)與單片機(jī)通信的模塊得到初始視頻各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)大小、目標(biāo)灰度、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、背景灰度的設(shè)置，然后根據(jù)各項(xiàng)設(shè)置產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA幀同步模塊、行同步模塊、像素時(shí)鐘模塊分別產(chǎn)生幀同步、行同步、像素時(shí)鐘，圖像數(shù)據(jù)按以上控制信號(hào)從FPGA中發(fā)送出去。
在本文中FPGA各功能模塊根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘生成幀同步、行同步、像素時(shí)鐘。這里以50M時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)圖像處理平臺(tái)對(duì)輸入信號(hào)的要求，設(shè)計(jì)的幀同步高電平占33ms，低電平占1．2ms，行同步高電平占35 μm，低電平占8．4μm。這里把50M基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入像素時(shí)鐘模塊經(jīng)過(guò)鎖相后依然以50M的時(shí)鐘頻率輸出，作為像素時(shí)鐘。由于一行較多，可在程序中進(jìn)行限位，控制每行像素?cái)?shù)。像素的產(chǎn)生主要有兩種方式，一種是通過(guò)與單片機(jī)通信得到目標(biāo)像素灰度及背景像素灰度，根據(jù)這兩種灰度產(chǎn)生像素?cái)?shù)據(jù)。另一種方式是通過(guò)從連接在FPGA上的SDRAM內(nèi)讀出圖像作為背景，從與單片機(jī)通信得到目標(biāo)灰度，共同形成像素?cái)?shù)據(jù)。
2．1 單片機(jī)控制模塊及通信模塊
在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)作為通信管理芯片。它主要實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，更改信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生信號(hào)的各個(gè)參數(shù)，把各個(gè)參數(shù)經(jīng)過(guò)整合送給FPGA，以便FPGA根據(jù)參數(shù)控制目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、目標(biāo)大小、目標(biāo)灰度及背景灰度。為了保證信號(hào)發(fā)生器能夠方便地和計(jì)算連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)時(shí)更改產(chǎn)生的視頻信號(hào)，并且從通信穩(wěn)定可靠出發(fā)，這里采用RS232通信接口。但是因?yàn)橛?jì)算機(jī)每次發(fā)的數(shù)據(jù)較多，這里沒(méi)有直接應(yīng)用電平轉(zhuǎn)換芯片把計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的串口連在一起，而是通過(guò)一片16C650把電平轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)連在一起，這樣的好處在于16C650內(nèi)部具有32字節(jié)的FIFO，可起到數(shù)據(jù)緩存的作用，使單片機(jī)能夠穩(wěn)定可靠地接收數(shù)據(jù)。
2．2 視頻制式轉(zhuǎn)換模塊
因?yàn)镕PGA產(chǎn)生的視頻信號(hào)為TTL電平，而目前數(shù)字視頻信號(hào)以LVDS制式和CamerLink制式為主，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里主要采用把FPGA產(chǎn)生的TTL電平的數(shù)字視頻信號(hào)接入SN75LVDS387得到LVDS制式的視頻信號(hào)，同時(shí)可把該TTL數(shù)字信號(hào)接入DS90CR285得到CamerLink制式信號(hào)。
3 軟件設(shè)計(jì)
本文軟件設(shè)計(jì)主要對(duì)單片機(jī)和FPGA進(jìn)行編程。其中對(duì)單片機(jī)編程主要應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)FPGA主要應(yīng)用VHDL語(yǔ)言編寫。其中單片機(jī)程序框圖如圖4所示。FPGA程序流程框圖如圖5所示。
4 結(jié)論
本文介紹了一種基于FPGA的數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)生器，此發(fā)生器能夠同時(shí)產(chǎn)生CamerLink和LVDS制式的視頻信號(hào)，同時(shí)此視頻信號(hào)發(fā)生器可通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式對(duì)所產(chǎn)生的視頻信號(hào)中的目標(biāo)、背景灰度、目標(biāo)大小、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)實(shí)時(shí)更改，從而達(dá)到檢測(cè)圖像處理平臺(tái)目標(biāo)分辨能力、目標(biāo)捕獲能力、目標(biāo)捕獲目標(biāo)跟蹤速度、目標(biāo)跟蹤精度等指標(biāo)的目的。因此具有一定應(yīng)用價(jià)值.
