（光学工程专业论文）基于fpga的图像采集与远程传输.pdf

基于f p g a 的图像采集与远程传输 学科：光学工程 研究生签字： 7 i 匣 指导教师签字：董q 锄 摘要 油气田井口监控存在现场环境恶劣、维护困难，现有设备功耗大、无法实现远程监控等 问题，本课题设计了基于f p g a 为核心的图像采集、处理与远程传输系统。 本文主要研究内容包括以下部分： 图像采集部分实现视频信号的a d 转换。选用p h i l i p s 公司的s a a 7 11 5 视频解码芯片， 在f p g a 上设计虚拟1 2 c 总线配置其内部寄存器，将p a l 制式、5 0 0 5 8 2 像素的图像信号解 码为i t u - 6 5 6 格式的数字视频信号。 外部存储部分完成数字图像信号的存储。选用i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 a ls r a m 存储器和 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h gs d r a m 存储器，其存储容量分别为5 1 2 k x1 6 b i t 和4 m x1 6 b i t ，满足了图像 的存储要求。 压缩编码部分利用j p e g 标准压缩算法实现数字图像信息的压缩。采用离散余弦变换和 哈夫曼编码方法，在保证图像监控需要的条件下，压缩比达2 0 1 8 ，满足了远程传输的需要。 无线传输部分采用短波超短波方式进行图像数据的无线远程传输。选用2 3 0 m h z 数传电 台n d 2 5 0 a ，其最高传输速率可达1 9 2 k b p s ，误码率1 0 。 v g a 显示部分可实现本地视频监控。选用视频编码芯片a d v 7 1 2 3 ，完成数字图像信息到 r g b 信号的d a 转换，在本地c r t 显示器上显示监控图像。 实验表明，本系统经过远程传输后显示频率可以达到3 5 帧分钟，传输距离可达上百 公里，满足现场监控要求。 关键词：图像采集；远程传输；现场可编程逻辑门阵列；联合图像专家组 v i d e o a c q u i s i t i o na n dl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n b a s e do nf p g a d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 州蝴 hu1 d 叼丁锄 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v es o m es e r i o u sp r o b l e m si nm o n i t o r i n go fo i l - g a sf i e l d ，s u c ha sa d v e r s e e n v i r o n m e n t ，m a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e s ，h i g hp o w e rc o m s u m p t i o n ，h a r df o rr e m o t em o n i t o r i n ge t c ， i m a g e sa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nf p g ah a sb e e n d e s i g n e d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ei m a g ea c q u i s i t i o np a r to ft h es y s t e mi sf o ra c c o m p l i s h i n gt h ef u n c t i o no f a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r s i o n av i r t u a l1 2 cb u si n t e r f a c eu s i n gt h es a a 7115d e c o d ec h i po fp h i l i p si sd e s i g n e dt o d e p l o yt h ei n t e r n a lr e g i s t e rt od e c o d et h e5 0 0 x 5 8 2p i x e l si m a g es i g n a lf r o mp a lt od i g i t a lv i d e o s i g n a lo f8b i ti t u - 6 5 6 e x t e r n a lr e g i s t e ri sf o rs t o r a g eo fd i g i t a li m a g es i g n a l t h ei s 61l v 51216 a ls r a mw i t h c a p a c i t yo f5 12 k x16 b i ta n dh y 5 7 v 6 4 16 2 0 h gs d r a mw i t h4 m x16 b i ta r ec h o s et om e e tt h e n e e d so ft h ei m a g es t o r a g e c o m p r e s s i o nc o d i n gp a r tu s e sj p e gs t a n d a r dd i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mt or e a l i z e t h ec o m p r e s s i o no fd i g i t a li m a g es i g n a l u n d e ri m a g em o n i t o rc o n d i t i o n s ，t h ed c tm e t h o da n d h u f f m a ne n c o d i n ga r eu s e dt og e tc o m p r e s s i o nr a t i oo f2 0 18w h i c hc a ns m i s f i e dw i t hr e m o t e t r a n s m i s s i o n i nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o np a r t ，t h ew a yo fs h o r t w a v ea n du l t r a s h o r tw a v ea r eu s e df o r t a n s m i s s i o n t h ed a t er a d i on d 2 5 0 aw i t h2 3 0 m h zc a n g e t19 2 k b p sa n dt h ee r r o rr a t ei sl e s st h a n 1 0 t h ev g a d i s p l a yc a l lr e a l i z el o c a lv i d e om o n i t o r i n g t h ea d v 7 12 3e n c o d ec h i pi sc h o s et o a c c o m p l i s h t h ef u n c t i o no fd ac o n v e r s i o nf r o m d i g i t a li m a g es i g n a lt or g bs i g n a la n d m o n i t o r i n gi m a g ea r es h o w e do nl o c a lv g a d i s p l a y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mw i t h3 5f r a m e se v e r ym i n u t eo fd i s p l a y 丘e q u e n c ya n dh u n d r e d sk mo ft r a n s m i s s i o nc a ng e tt h en e e d so fm o n i t o r i n gd e m a n d k e yw o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ；r e m o t et r a n s m i s s i o n ；f p g a ；j p e g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留 送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公稚学位论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 7 乞芝孓 指导教师签名：_ 套叼铷 日期： q 毒母周2 2 ，日 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位 或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 7 之呸车 指导教师签名：尹叼勃 同期： 叫手彳目2 卫目 l 绪论 l 绪论 视觉是人类最重要的感觉器官，视频图像信息是人们从客观世界获得信息的主要来 源，可以直接或间接作用于人眼进而产生视知觉的实体。同时，由于客观条件的限制， 尤其是在一些危险性较大，人不可直接观察或者不易观察的特殊场合，利用视频监控系 统成为了一种有效的观测手段。所以图像监控技术一直是人们关注的应用技术热点之 一，它以其直观、方便、信息丰富而被广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及设 施。 1 1 课题背景及意义 在i n t e m e t 飞速发展和广泛普及的今天，我们的社会已经进入到了一个全新的信息 时代。在信息社会中，信息的获取技术，传输技术和处理技术是三个最为关键的因素1 。 其中，信息的原始获取要求包括：一是全面性，即包括所需要的全部信息；二是精确性， 即所获取的每一种信息的质量要求很高，以减少后期处理的难度。同时，信息传输从两 方面加强力度：一是多媒体化；二是实时化。在此基础上，高保真准动态图像的采集、 压缩和远程传输技术成为许多先进国家计算机领域的重要研究课题。 图像采集处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，也就是用设备来实现 对客观世界的识别。对于许多监控现场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多， 因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护。而且还存在着某些容易发生突 发性事件的领域，如容易发生火灾和洪灾的场所，由于这些事件发生的概率相对较小， 且具有随机性和不确定性，如果在现场实施人员值守是不现实的。同时，在许多条件恶 劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的 布线工作则是不经济、不合理的】。 例如在工业现场，油气田的采油采气厂由很多口油气井组成，能否及时掌握整个采 油采气厂的各个油气井状况，并对它们进行科学的分析、监控，就直接关系到油气田生 产的效率和油气田管理的水平。长期以来，我国各地区油气井的参数采集、监控等均是 靠人工巡视。由于地域分散，且大部分油气井都处在沙漠或丘陵腹地，复杂多变的地形 以及恶劣的自然条件，给日常巡井和检查工作造成很多不利的因素。此外，频繁的井口 现场往返巡查，不但浪费了大量的入力物力，而且对井口生产状况无法及时掌握，安全 隐患极大，该问题已经严重威胁到油气井的j 下常生产秩序h ，。 与此同时，随着计算机通信技术和网络技术的发展，以及用户需求的不断提高，用 户不仅仅需要的是现场井口的数据等文字信息，而更需要高质量的实时图像信息，以便 更好的及时准确的掌握井口等现场情况。图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被 广泛应用于许多重要场合，成为安全监控的主要手段。由于远程图像监控系统实现了对 两安t 业人学硕十学位论文 远程目标的监视、遥控等功能，从而为无人值守场合提供了新手段啼1 。 本课题是基于f p g a 的图像采集与远程传输系统的研究及实现，该系统是建立在原 有油气田井口数据实时检测及传输系统1 基础上，通过对井口状况的实时检测与监控， 通过短波、超短波通信方式，将检测到的井口数据与拍摄的现场图像传送到几十几百 公里外采气厂的控制室。当出现盗窃，违规操作，井喷等危险或紧急情况时，能够进行 报警处理，使监控室内工作人员采取果断措施，如关井等，从而防止恶性事件的发生。 基于f p g a 的图像采集与远程传输系统的研究及实现，能够使生产管理的各部门及 时掌握当前油气井的工作状态，极大的降低生产成本，并将生产中的事故问题降到最低 限度，从源头根本上消除各种安全隐患问题，以保证我国能源生产的安全，维护社会的 稳定，促进经济的发展。 1 2 国内外发展现状 中国监控市场经历了模拟监控、数字监控及网络监控三个主要阶段。随着近年来“平 安城市”、“平安校园、奥运安防项目以及各地、各行业安防项目需求等，在全国 范围的开展和深入，机场、地铁以及景区等用户对于视频监控覆盖范围、监控点数以及 网络传输v o 等要求的不断提升，网络监控正成为中国视频监控市场重要的拉动因素。 网络监控设备厂商的视频监控整体解决方案，正得到越来越多用户的了解和认可h 1 。 图像采集处理系统在当今工业，军事，医学各个领域都有着及其广泛的应用，如使 用远程监控、安防、远程抄表、可视电话、工业控制、图像模式识别、医疗器械等各个 领域，而且随着图像采集处理技术的发展，在上述各个领域内的各种应用中，图像采集 处理系统中所起到的作用显得越来越重要，而且越来越多的行业和设备开始使用到图像 采集处理系统，大趋势就是数字化、网络化、集成化和智能化隅1 。 1 2 1 图像采集技术 视频图像采集是视频信号处理系统的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、 高可靠性方向发展。作为整个系统的原始信号源，主要功能是完成目标景物到图像信息 的转换，其物理变换是一个光电变换过程。 目前主要的方法凹1 ： 1 ) 本地模拟信号采集 本地图像监控系统主要由摄像头、监视器、录像机等组成，利用视频线将来自摄像 头的图像连接到监视器上，利用视频主机，采用键盘进行切换和控制，其具有很多局限 性：首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感：其次，有线模拟视频监视无法联 网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大。 2 ) 基于p c 插卡的图像采集系统 基于p c 机的远程图像监控系统由p c 机插视频卡构成，在监控现场，有若干个摄 像机，各种检测探头与数据设备，通过各自的传输线路，连接到监控终端机上，该终端 2 1 绪论 可以是一台p c 机。基于p c 的视频监控系统终端功能较强，但不方便现场操作，信号 的采集、压缩、通讯较复杂，可靠性不高，p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间 不适宜的地点，这种方式不理想。 3 ) 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 随着芯片、网络技术的进步，现在出现了基于嵌入式技术的网络监控系统。嵌入式 系统也由于软硬件可裁剪、本身体积小，实时性高，稳定性好，支持网络等优点，成为 工控领域的新热点。基于嵌入式技术的监控系统有效地将嵌入式技术和图像技术结合在 一起，把摄像头输出的信号进行图像压缩编码处理、无线通信、自动控制等，可以很好 地解决基于p c 的监控系统中存在的问题。 在图像传感器领域，c c d 与c m o s 传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器。 c c d 是1 9 6 9 年由美国的贝尔研究室所开发出来的，为了满足军民两用领域的需要，c c d 的研制和开发一直没有停止过。尽管几年来有关c c d 方面的论文报道量越来越少，但 是其使用量却不断的增加。从目前c c d 技术发展趋势来看，c c d 将向高分辨率、高速 度、微型化、超小型化、新型器件结构、多光谱微光、紫外、x 射线、红外等方向发展。 进入2 0 0 0 年以来c c d 又进入了快速发展时期，在不断提高图像成像质量的同时，c c d 的单位面积也越来越小。s o n y 、富士等先后开发出了s u p e rh a dc c d 、s u p e rc c d s r ，这种新的感光器件是在c c d 面积减小的情况下，依靠c c d 组件内部放大器的放 大倍率提升成像质量。 在研制和开发的过程中，c c d 又不断遇上竞争对手，除以往的光电倍增管、接触 式图像传感器外，又遇上了c m o s 图像传感器这一强大的竞争对手。在近这几年的数 码相机和微型摄像机发展中，c c d 和c m o s 图像传感器发挥了各自的优势，进入了相 互竞争的场面。 从c m o s 与c c d 目前的应用和技术发展以及未来的发展趋势来看，c m o s 图像传 感器有希望在不久的将来成为主流。c m o s 固体摄像器件与9 0 的其它半导体都采用 相同标准的芯片制造技术，而c c d 则需要一种及其特殊的制造工艺，故c c d 的制造成 本高得多。由此看来具有高分辨率、较高解像率、制作成本低得多的c m o s 摄像器件 将会得到发展。随着c m o s 图像传感器技术的进一步研究和发展，过去仅在c c d 上采 用的技术正在被应用到c m o s 图像传感器上，c c d 在这些方面的优势也逐渐黯淡，而 c m o s 图像传感器自身的优势正在不断地发挥，其光照灵敏度和信噪比可达到甚至超过 c c d 。基于此，我们可以预测，c m o s 图像传感器将会在很多领域取代c c d 图像传感 器，并开拓出新的更广阔的应用领域n 们。 l 。2 2 图像处理系统 图像是记录在介质上的客观景物的映像，如照片、电影、电视等。图像处理技术基 本可以分成两大类：模拟图像处理( a n a l o gi m a g ep r o c e s s i n g ) 和数字图像处理( d i g t a l i m a g ep r o c e s s i n g ) 。目前，计算机只能处理离散的数据，图像数据若需要用计算机进行 3 两安 _ 业人学硕十学位论文 存储、显示和处理，首先需要对模拟的图像进行数字化，即转变成二进制数即数字图像， 它就是离散化后的图像数据1 。数字图像处理就是指将图像信号转换成数字信号并利用 计算机进行处理的过程。 从9 0 年代初开始，随着p c i 总线技术的成熟，采用p c i 总线的产品逐步取代采用 i s a 总线接口的产品。由于p c i 总线的诸多优点，在没有特殊限制的场合，采用计算机 + p c i 接口图像采集卡仍将是图像处理系统的主流配置。但随着半导体技术的迅速发展 及专用集成芯片( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 芯片 集成度、运算速度的大幅度提高，价格大幅度降低，采用大规模集成电路或专用芯片取 代计算机的脱机图像处理系统将成为脱机图像系统的主流n 刳。 依托计算机技术、通信技术和网络条件的发展以及数字信号处理的快速发展，图像 处理系统出现呈五大发展趋势： ( 1 ) 随着硬件的发展，图像处理系统的性能会越来越高，价格会逐步降低； ( 2 ) 图像处理系统的功能都会集成在一个便于携带使用方便的电子设备上，不需要 p c 和各种辅助设备； ( 3 ) 由于网络的普及，图像处理系统将和网络结合，实现远程的图像采集和传输； ( 4 ) 图像处理系统内部将集成开发软件，使得用户更加容易根据自己的需要开发相 应的图像处理算法，系统的效率更高； ( 5 ) 为了满足不同的要求，开发人员会使用d s p 、a s i c 和f p g a 芯片开发专用的 图像处理系统n 利。 本文正是基于f p g a 芯片的处理系统，与传统的a s i c 等相比，f p g a 具有：1 ) 运行 速度快：2 ) 管脚多，易于实现大规模系统：3 ) 内部程序并行运行，有处理复杂功能的能 力：4 ) 有大量软核，可以方便进行二次开发等优势。 1 2 3 无线通信技术 自1 9 世纪发明并应用以来，无线通信技术经历了1 0 0 多年的发展。如今，各种无 线通信方式层出不穷，并随着人们应用的需求而逐步发展，推动着无线通信技术同趋走 向成熟。从早期的无线电报到现今的卫星通信、深空通信、移动通信、蓝牙技术、红外 数据通信技术等，无线通信技术经历了跳跃式的发展。 与此同时，随着科学技术的不断发展和生产力的不断提高，传统的电话、电报通信 方式已越来越不能满足人们日益丰富多彩的现代社会生活需求。人们对通信方式和通信 内容的要求越来越高，无线通信的方式也从原始的点对点单一通信方式发展到先进的无 线网络方式；无线通信的内容从电报、模拟语音信号发展到现在的数字语音、数字图像、 数字视频等实时数据通信n 5 l 。 随着数字微波、数字光纤、卫星通信等新型宽带信道的出现，以及微电子技术、多 媒体技术、数字信号处理技术和数字图像压缩编码技术的飞速发展，图像通信己不再是 人们的幻想，而成为现实生活的重要通信方式之一。 4 1 绪论 1 3 论文主要研究内容 本课题以油气田井口现场监控为背景，以研制一种低功耗、高集成的基于f p g a 的 图像采集、处理与远程传输为目标，从而使该监控系统满足市场需求。 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 调研监控系统的研究现状及应用前景，确定本系统的研究重点； ( 2 ) 研究视频信号的制式及标准，分析油气田井口图像的特征，确定以f p g a 为核 心的实现方案，结合系统的技术要求提出系统的整体设计方案，确定外围器件的选型； ( 3 ) 系统硬件设计，根据系统所要实现的功能选择f p g a 作为核心控制单元，根据 器件选型原则选择实现各功能的器件，同时考虑到扩展性的需要，采用模块化设计思想， 进行系统硬件电路的设计。采用多层板布线，按照器件布局规则合理的进行器件布局， 根据电路布线的设计规则，以及高频部分布线的设计规则进行布线，并最终完成整个硬 件系统的p c b 设计； ( 4 ) 系统软件设计，本课题在q u a r t u si i 软件编译平台上采用v e r i l o gh d l 语言， 以图像数据的压缩算法为核心，在f p g a 上实现编解码模块的1 2 c 控制，数据存储以及 本地v g a 显示等； ( 5 ) 远程无线传输，本文分析了目前较为流行的几种数据传输方案，明确短波超短 波技术在远程无线传输中的优势，并对其实现方案做进一步的阐述； ( 6 ) 系统整体调试，为了验证硬件系统的可靠性，软件系统的j 下确性以及整体方案 的可行性，通过相应的实验加以验证。 5 两安：i ：业大学硕十学位论文 2 系统整体方案设计 本章将研究模拟视频信号的制式以及数字视频标准，将图像采集与远程传输系统的 总体方案设计以及主要器件的选型做一阐述。 2 1 模拟视频制式及数字视频标识 视频是由许多幅按时间序列构成的连续图像组成，每一幅图像称为一帧，帧图像是 视频图像的基础。由于每一帧图像的内容可能不同，因此，整个图像序列看起来就是活 动图像，视频可以分为模拟视频和数字视频两种u 6 | 。 2 1 1 模拟视频制式 模拟视频信号由视频模拟数据和视频同步数据构成，用于接收端正确地显示图像， 信号的细节取决于应用的视频标准或者制式。目前模拟视频主要有三种制式，即n t s c ( 美国全国电视标准委员会，n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ) 、p a l ( 逐行倒相， p h a s ea l t e r n a t el i n e ) 以及s e c a m ( 顺序传送与存储彩色电视系统，s e q u e n t i e lc o u l e u r a v e cm e m o i r e ) 制式。这三种制式皆属兼容制，其共同点是都采用能与黑白电视兼容的 亮度和两个色差信号作为传输信号；不同点是两个色差信号对副载波采用不同的调制方 式。 三种模拟视频制式n 朝的主要参数如表2 1 所示。 表2 1 三种模拟视频制式的主要参数 p a l 制式和n t s c 的分辨率有所不同，p a l 制式使用的是7 2 0 x 5 7 6 ，而n t s c 制 式使用的是7 6 0 x 4 8 0 ，在分辨率上p a l 稍稍占有优势，我国大陆采用的是p a l d 制式。 2 1 2 通用数字视频标准 在不同的应用和产品之间交换数字视频，就需要数字视频格式标准。为了便于国际 节目交换以及p a l 制系统与n t s c 制系统之间兼容，这就导致了通用数字视频标准的 6 2 系统整体方案设计 出现。下面将简述国际无线电通信咨询委员会( c c i r ) 所制定的数字分量视频标准 c c i r 一6 01 和c c i r 6 5 6 。 ( 1 ) c c i r - 6 0 1 c c i r 6 0 1n 7 1 羽( 1 日称i t u rb t 6 0 1 ) 定义的对应于5 2 5 行和6 2 5 行电视系统的数字视 频标准，建立在带有一个亮度( y ) 和两个色差( c r 和c b ) 信号的分量视频基础上， 输出的是并行数据，y 、u 、v 信号同时传输，1 6 位数据宽度，需通过行、场同步两根 信号线单独输出来传递行场同步信息。在5 2 5 行和6 2 5 行系统中，采样频率均选择水平 扫描频率的整数倍。因而，对亮度分量有： z 妇= 8 5 8 f h 5 2 5 = 8 6 4 f h 6 2 5 = 1 3 5 m h z ( 2 1 ) 对色度分量有： z 咖= z , l u r e 2 = 6 7 5 m h z ( 2 2 ) 因此，y c b ，c ，三者的比例关系为4 ：2 ：2 ，采样后每一个信道使用8 比特数字化。图 2 1 是三者的样点结构图，表2 2 是c c i r 6 0 1 的4 ：2 ：2 标准。 uu姐n _ nuuux 酸ix !妓xqx戳x c jqq 九 毙艘l o 恕c 卜也麓似息 图2 1c c i r 6 0 1 标准样点结构图 表2 2c c i r 6 0 1 的4 ：2 ：2 标准 7 两安一l ：业人学硕士学位论文 ( 2 ) c c i r - 6 5 6 c c i r 6 5 6 n 2 们是在c c i r 6 0 1 的基础上发展的一种新数字视频标准。共9 芯，无需 同步信号，输出的是串行数据，行场同步信号嵌入在数据流中，传输速率是6 0 1 的2 倍， 8 位数据传输，先传y ，后传u v 。该协议使用2 7 m h z 的时钟对视频信号进行采样，其 中亮度( y ) 信号采样频率为1 3 5 m h z ，色差( u 和v ) 采样频率为6 7 5 m h z ，量化比特为 8 或1 0 b i t 。协议使用定时基准信号表示活动视频数据的开始和结束，且定时信息( 例如 行同步、场同步、奇偶场等信息) 都包含在定时基准信号之中。c c i r 6 5 6 协议中定义了 活动视频开始( s a v ) 和活动视频结束( e a v ) 两种定时基准信号。s a v 和e a v 的前三个 字都是0 x f f ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，第四个字0 x x y 定义如表2 3 所示。 表2 3 定时基准信号的第四字各比特分配情况 f = o 表爿奇数场，f = l 表爿柱马数场；v = 0 表j i 有效视频，v = i 表示场消隐； h = o 表示有效视频从此处开始，h = i 表示从此处结束； p o 、p 1 、p 2 、p 3 用于对f 、v 、h 进行容错纠正。 当采样量化比特数为8 b i t 时，在p a l 制6 2 5 5 0 ( 每秒2 5 帧，每帧6 2 5 行，每帧分 两场隔行扫描) 标准下，每帧定时基准信号的位置如表2 4 所示。 表2 4p a l 制标准数字定时基准信号的位置 在p a l 制6 2 5 5 0 下，奇场消隐时间为6 2 4 行到2 3 行，共2 5 行：偶场消隐时间为 3 ll 行到3 3 6 行，共2 6 行。如果每行抽样8 6 4 个像素，其中从第0 个到第7 1 9 个为有 效像素，共计7 2 0 个，从7 2 0 个到8 6 3 个为消隐期像素。每个像素都抽取一个y 分量， 每两个像素则抽取一个c r 和一个c b 分量。表2 5 是帧内一行以及像素抽样数据排列格 式的示意图。 表2 5c c i r 6 5 6 协议一行像素抽样数据排列格式 8 2 系统整体方案设计 2 1 3 数字视频图像压缩标准 数字化信息的数据量非常庞大，这样庞大的数据量无疑给存储器的存储容量、通信 线路的信道传输率以及计算机的计算速度都增加了极大的压力；同时这也是制约多媒体 技术发展的一个瓶颈问题。解决这一问题，单纯通过扩大存储器容量、增加通信线路的 传输率是不现实的，因此需要对视频数据进行压缩编码。 近年来，国际标准化组织i s o 、国际电工委员会i e c 、国际电信联盟i t u t 等相继 制定了一系列数字视频图像编码的国际标准( 如表2 6 所示) ，有力地促进了视频信息的 广泛传播和相关产业的巨大发展。 表2 6 视频图像编码的国际标准及其应用 j p e g 是j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合图像专家组) 的缩写，j p e g 标准n 是“连续色调静止图像数字压缩编码 国际标准的简称。 j p e g 标准适用于彩色和单色、多灰度连续色调的静态图像的数字图像压缩和编 码，其定义了两种基本的算法：一种是基于d c t 的有失真的压缩算法，包括基本系 统( 顺序模式) 和扩展系统( 递增模式、分层编码) ；另一种是基于空间预测( d p c m ) 的无失真压缩算法。根据本系统的使用场合及监控要求，本文选择基于d c t 的有失 真压缩算法乜2 删。 j p e g 是面向静态图像编码的国际标准。在相同图像质量下，j p e g 文件拥有比 其他图像文件格式更高的压缩比。j p e g 目前被广泛应用于多媒体和网络程序中，是 现今万维网中使用最广泛的两种图像文件格式之一。 2 2 图像采集与传输系统概述 2 2 1 采集方式 c c d 与c m o s 传感器作为当前被普遍采用的两种图像传感器，其优缺点如表2 7 所示。 9 两安：r 业大学硕士学位论文 相对于c m o s 技术，c c d 传感器有以下优点1 ： 1 ) 高解析度( h i g hr e s o l u t i o n ) ：像点的大小为岬级，可感测及识别精细物体，提 高影像品质。从早期1 寸、1 2 寸、2 3 寸、1 4 寸到最近推出的1 9 寸，像素数目从初 期的1 0 多万增加到现在的4 0 0 5 0 0 万像素。 2 ) 低噪音( l o wn o i s e ) 高敏感度：c c d 具有很低的读出噪音和暗电流噪音，因此提 高了信噪l 匕( s n r ) ，同时又具有高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会 被掩盖，使c c d 的应用较不受天候拘束。 3 ) 动态范围广( h i g hd y n a m i cr a n g e ) ：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境 的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4 ) 良好的线性特性曲线( l i n e a r i t y ) ：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关 系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率( h i g hq u a n t u m e f f i c i e n c y ) 。 5 ) 大面积感光( l a r g ef i e l do f v i e w ) ：利用半导体技术已可制造大面积的c c d 晶片； 光谱响应广( b r o a ds p e c t r a lr e s p o n s e ) ：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性， 扩大系统应用领域。 6 ) 低影像失真( l o wi m a g ed i s t o r t i o n ) ：使用c c d 感测器，其影像处理不会有失真 的情形，使原物体资讯真实地反应出来。 7 ) 体积小、重量轻：c c d 具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人 造卫星及各式导航系统上。 8 ) 低耗电力，不受强电磁场影响：电荷传输效率佳，可大批量生产，品质稳定。 本系统选用深圳市可视乐科技有限公司的o v e d 系列o c 1 3 5 0 d 彩色摄像机，输 出制式有p a l 与n t s c 两种，本系统选择具有5 0 0 x 5 8 2 个像素的p a l 制式输出。 2 2 2 处理方式 图像是一种重要的信息资源，数字图像具有信息量大、相关性大和识别困难等特点， 图像处理大体上包括图像编码、图像的增强与复原、图像分析和图像重建4 个方面的内 容】。 1 0 2 系统整体方案设计 数据压缩技术是减少描述图像的数据量即比特数，以便节省传输、处理的时间和存 储器的容量。压缩可以在不失真的前提下进行，即仅删除其中的相关信息，实现无损压 缩，或在允许失真的限度内进行有损压缩，换取更大的压缩比。 根据现场实际应用环境以及便携式的需求，本系统采用现场可编程逻辑门阵列 ( f p g a ) 芯片为核心控制芯片，通过视频编码芯片a d v 7 1 2 3 进行图像数据的d a 转换 实现本地监控，应用j p e g 算法实现视频数据的压缩。 2 2 3 传输方式 信号传输方式的分类方法比较多，若按照其传输的介质分，可以分为有线传输和无 线传输。 有线通信方式是指通过架设光缆、铺设光缆、租用电话或公众电话网( p s t n ) 进行 远程终端与控制中心间的数据传输方式。有线通信的开通必须架设电缆，挖掘电缆沟或 架设架空明线。这种通信方式成本投入大且电缆数量固定，通信容量有限。有线通信方 式是最可靠的通信方式，但在野外铺设极其困难。 由于有线传输耗资比较大，而且传输线经常受到不定性因素的破坏，所以现在很多 的传输过程设计都在使用无线传输，它可以穿透墙壁，也可以绕开障碍物大大节约了成 本。无线传输主要是对电磁波的振幅、频率或波的相位的调节来传输信息。根据电磁波 的波长不同可以将其划分成不同的频谱，电磁波谱如图2 2 所示。 f ( h z ) l o oi 0 2i 0 4 1 0 61 0 81 0 1 。1 0 1 21 0 1 41 0 1 61 0 l a ! 0 2 0 | 0 2 21 0 u ll 无线电 i 微波 红外 小v x 射线 i 伽玛射线 j 、 ，可见光、 ， ，、 7、 、 d 幸，7 1 0 ， 1 0 6 1 0 71 0 客1 0 9 1 0 1 01 0 1 1 0 l z 1 0 ”| 0 1 4 i o - 、 1 ( 、 双受线 卫星 光纤 同轴电缆 地i 微波 、， ，r 低1啵无a 2 订 f“ ：电 无：电 卜 t v 、，r 波段 l fm fh fv h fu h fs h fe h f 图2 2 电磁波谱图 两安t 业人学硕十学侮论文 无线传输主要集中在无线电、微波、红外、毫米波等波段，近些年来光波传输也得 到了飞速的发展与应用。但是它们各有各的优缺点，在不同的领域发挥着重要作用0 。 1 ) 无线电 无线电波很容易产生，可以传播很远的距离，且很容易穿过建筑物，因此被广泛用 于通信，不管是室内还是室外。无线电波同时还是全方向传播的，也就是说它能从源向 任意方向传播，因此发射和接收装置不必在物理上很准确的对准。 2 ) 微波 微波传输，在1 0 0 m h z 以上，微波沿着直线传播，因此可以集中于一点，通过卫星 电视接收器把所有的能量集中于- - d , 束，便可以获得极高的信噪比，但是发射天线和接 收天线必须准确的对准。为了进行远距离微波通信，微波传输通常为中继通信，对传输 的信号进行多次中继转发，中继站问距离一般为5 0 k m 左右。 3 ) 红外线、毫米波 无导向的红外线和毫米波被广泛用于短距离通信，电视、录像机使用的遥控装置都 利用了红外线装置。它们相对有方向性、便宜并且容易制造。但是有一个主要缺点：不 能穿透坚实的物体。 4 ) 光波 光波传输，目前又发展了新的传输方式即用激光进行传输。利用激光的连续信号当 然是单向的，因此每个楼都必须有自己的激光及测光装置。这种方法总体说来还是成本 极低的，激光的缺点就是不穿透雨或雾。 目前，远程数据传输方式有小型大功率无线电台、低压电力线载波、m o d e m 、以太 网、g p r s 等。其中无线电台电磁波本身无需传输媒介，不依赖任何基站和线路、光缆 等基础设施，即使在真空中也能收发自如。且具有操作简便，灵活性高，成本相对低廉， 使其成为偏远地区通信的最好选择。 部分无线传输方式的性能比较，如表2 8 所示： 表2 8 无线传输方式性能比较 根据系统需求，本系统选择超短波和短波相结合的方式实现图像数据的远程传输 2 5 一舫】 2 3 图像采集与远程传输方案设计及主要器件选型 根据应用场合，其视频图像采集处理系统应当具有简便、实时等特性，本系统选用 1 2 2 系统整体方案设计 a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的产品。a l t e r a 是世界一流的f p g a 、c p l d 和a s i c 半导体生 产商，所提供的解决方案与传统d s p 、a s s p 和a s i c 解决方案相比，缩短了产品面市 时间，提高了性能和效能，降低了系统成本。考虑到性价比等因素，我们选择 e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 n 作为本系统的核心芯片。 嵌入式图像处理系统整体框图如图2 3 所示。 囤d 回 囤曰 圈 g i 回 l 控l ( 、一) l 电苜l 曰圈 圈b 圈 图2 3 嵌入式数宇图像处理系统整体框图 系统的工作原理为：系统上电后，管理单元f p g a 首先通过1 2 c 总线对视频解码模 块进行初始化设置：c c d 摄像机输出的标准模拟视频( p a l 制) 输入视频解码模块， f p g a 将解码后的图像数据通过输入缓冲f i f o 存放到外部s r a m 中；再用s d r a m 完 成奇偶场数据的合并，满一帧后图像数据进入f p g a 进行压缩处理，然后由串口通信模 块由短波超短波电台将图像数据传输到监控室内，完成远程监控；该系统还可把处理 后的数字化的图像数据经输出缓冲送到视频编码模块，编码模块将数字视频转换成标准 的模拟视频，通过v g a 接口在c r t 显视器进行显示，实现本地监控啪3 。 2 3 1 图像主控芯片f p g a 选型 f p g a 芯片的选择不仅关系到系统的处理速度和成本，还牵涉到系统的开发难度和 开发进程。对于芯片的选择，主要从处理速度、体积功耗、开发难度、成本、封装形式 来考虑。 目前，世界上有十几家生产c p l d f p g a 的公司，最大的三家是：a l t e r a ，x i l i n x ， l a t t i c e ，其中a l t e r a 和x i l i n x 占有了6 0 以上的市场份额。c y c l o n e 系列f p g a 是a l t e r a 大获成功的一代产品，从根本上针对低成本进行设计的，为低成本敏感的大批量应用提 供用户定制特性，以低于a s i c 的成本实现了高性能和低功耗。c y c l o n e 系列f p g a 由 使用方便的免费q u a r t u si i 网络版设计软件、多种知识产权( i p ) 和硬件开发套件提供支 持，可以迅速实现低成本f p g a 方案开发。 本系统选用c y c l o n e 系列下的e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 n 作为主控芯片，该芯片具有高速度、 13 o 曰。曰 两安丁业大学硕十学位论文 多功能、低功耗等特点，且开发仿真系统比较成熟、资料比较完备，比较适合具有一定 实时性要求的脱离计算机独立运行的图像采集处理系统。 2 3 2 图像a d 及d a 转换 模拟电视存在着许多难以克服的缺陷：如多次传输或复制后会形成噪声积累，信号 的线性、非线性失真，亮色互扰等，致使图像质量不断下降；且模拟信号在任意时刻取 值，具有无限多个电平，不适合计算机处理。但这些缺陷大多可通过将模拟信号转变为 数字信号进行处理、存储、控制和传输来解决。 视频a d 和d a 器件是整个系统的输入与输出接口，其信号接口直接影响到后续 处理的接口方式和算法的选择。视频a d 和d a 的选择应考虑以下因素：模拟信号应符 合p a l 或n t s c 标准：数字信号应符合c c i r 一6 5 6 视频标准：为了减少电平转换应在3 3 v 电压下工作：同时由于是小型系统，功耗要小。综上，本系统选用了p h i l i p s 公司的视 频a d 芯片s a a 7 1 1 5 啪1 和d a 芯片a d v l 7 2 3 】。 2 3