基于NiosII的视频采集与DVI成像

摘  要： 采用FPGA作为视频采集控制和图像处理芯片，配置NiosII软核，在FPGA片内完成图像处理和图像显示控制，简化了硬件电路和软件程序的设计。在FPGA片内编写视频采集时序，并配置NiosII控制软核，模拟视频数据经视频解码芯片输出ITU-RBT.656格式数据送入FPGA，通过时序控制和NiosII软核把视频解码数据依序存储在SSRAM中，并进行裁剪、交织、颜色处理。
关键词： 图像采集；FPGA；NiosII软核；ITU-RBT.656；DVI

    视频采集是进行图像及图形处理的第一步，目前视频采集系统一般由FPGA和DSP组成，FPGA作为视频采集控制芯片，DSP作为图像处理与成像控制芯片[1]。随着FPGA技术的发展，片内的逻辑单元越来越多，片内的DSP资源也越来越丰富，因此可直接在FPGA片内进行图像处理。目前Altera公司的FPGA支持NiosII[2]软核，通过Avalon设备总线挂接自定义模块，编写用户控制程序。本设计通过Avalon总线读取RGB像素值进行像素处理，通过I2C总线初始化视频解码芯片和DVI视频编码芯片。NiosII是一种可配置片内外设的软核CPU，采用RISC精简指令系统，流水线处理技术，用户可自定义Avalon总线外设构成SoC系统，支持32 bit存储宽度，支持DDR2、SSRAM存储器。结合项目，采用TVP5146[3]视频解码芯片，FPGA采集解码数据并进行隔行转逐行、像素裁剪处理、像素YCrCb转RGB、RGB转灰度等处理后，采用NiosII软核配置Avalon总线DVI接口从设备外设，把储存在SSRAM中的视频数据依次送入DVI编码芯片SiI178[4]，带有DVI接口的监视器接收解码并显示采集的视频数据。
1 视频采集与DVI成像系统的组成
    视频采集与DVI成像硬件构成如图1所示。该系统由视频解码芯片、FPGA控制芯片、DVI接收编码芯片、SSRAM和Flash组成。硬件系统分为模拟视频信号解码、视频数据采集、图像处理和DVI编码显示3大部分。

    模拟视频信号解码由TVP5146芯片组成，该部分主要完成PAL-D制式模拟视频信号解码，输出符合ITU-RBT656[5]且内嵌同步字符4:2:2格式数据供FPGA采集。TVP5146支持NTSC、PAL、SCEAM、CVBS、S-video制式视频输入，具有RGB转换为YCbCr功能。

    视频数据采集部分由FPGA控制芯片、SSRAM、Flash、电源芯片、辅助外围电路组成。该部分以TVP5146输出像素时钟作为FPGA采集时钟采集解码后的数据，在系统时钟的控制下，交织乒乓存储于SSRAM芯片，并在帧信号控制下交换存储体。FPGA采用Altera公司CycloneII系列EP2C35F672[6]芯片,该芯片具有33 216个逻辑单元，内部RAM高达484 KB，支持NiosII嵌入式处理器，核心电压1.2 V，IO电压3.3 V，具有4个PLL输入，12个PLL输出。Altera的FPGA采用SRAM工艺，掉电就会丢失配置数据，所以外部需要挂接存储配置数据的部件。Altera公司FPGA一般都支持串行被动配置、串行主动配置、JTAG配置，通过跳线选择配置方式，JTAG配置在调试时很方便。串行主动配置一般需要Altera公司的专用配置芯片，在系统上电后主动配置芯片。FPGA配置完成后，NiosII从Flash中读取程序，完成相应的功能。TVP5146采用I2C口配置其工作方式，配置的数据亦存储在Flash芯片中。SSRAM采用CY7C1380D，32 bit数据位宽，2 MB存储空间，3.3 V供电，提供高性能3-1-1-1访问时钟周期速率，最高频率达250 MHz。
    图像处理在FPGA片内实现，进行YCbCr转RGB、RGB转灰度、线性插值等处理，DVI编码显示在DVI接收芯片Si178片内完成，在系统时钟的控制下，依照DVI显示时序，控制行、场同步信号，依次把RGB像素送入编码芯片，完成图像数据的编码和传输。Si178具有25～165 M点像素每秒，24 bit模式，I2C编程接口，支持热插拔，兼容DVI1.0标准，3.3 V供电。
2 模拟视频信号解码
      视频解码格式有ITU-RBT.601标准格式和ITU-RBT.656标准格式。ITU-RBT.601标准需要行、场同步信号线，ITU-RBT.656标准无需同步信号线。ITU-RBT.656标准采用8 bit传输格式，亮度信号Y和色度信号Cb/Cr交替传输。本设计采用ITU-RBT.656标准。我国电视制式为PAL-D，一帧电视图像有625行，每行可视像素为720个，因为有行消隐和场消隐，实际可视像素面为720×576，电视图像传输采用奇偶场交替传输，所以通常奇偶场各传输288行。图2是行同步4：2：2输出时序图。

    PAL-D制式一行可视像素有720个，因为采用ITU-RBT.656标准，每2个DATACLK时钟才输出一个像素，所以，一行可视像素需要1 440个DATACLK时钟。一行像素输出完毕后紧接4个行结束标志，然后进入行消隐阶段，行消隐阶段结束后，4个字符的开始标志表明一行的开始，从4个结束标志到4个开始标志，共有288个DATACLK时钟。这288个DATACLK期间的数据不用于显示，用于同步和消隐，所以对于PAL-D制式，采用ITU-RBT.656标准传输一行视频需要1 728个DATACLK时钟[7]。
    EAV和SAV分别表示一行有效视频的结束和开始，EAV/SAV序列由FF-00-00-XX表示，其中XX是状态字，表1为EAV/SAV序列字段位表。

    F场标志：F=0是偶场，F=1是奇场；V视频有无效标志：V=0为有效视频数据，V=1为无效视频数据；H有效视频结束起始标志：H=0是SAV，H=1是EAV。
    从624行～22行和311行～335行为无效视频行，此时V=1；从23行～310行和336行～623行为有效视频行，此时V=0。从1行～312行为偶场，此时F=0；从313行～625行为奇场，此时F=1。
    配置TVP5146使其正确初始化。设置正常工作模式，视频选择输入口，色度和亮度AGC自动增益，视频输入为PAL-D制式625行，解码输出格式为10 bit 4：2：2(2倍像素时钟速率)内嵌同步字符，实际10 bit输出时最低2 bit可丢弃。设置亮度信号范围为16～235，色度信号范围为16～240。配置NiosII软核，设置CPU类型为经济型32 bit，CPU时钟频率为100 MHz，复位向量起始地址为Flash，异常向量起始地址为On-chip-ram，设置PIO线模拟I2C协议，用于配置TVP5146，配置Avalon-MM三态桥用于挂接Flash，配置On-chip-ram为32 KB[8]，添加一个Avalon从设备。该从设备为用户自定义接口，NiosII软核可以通过该从设备口实时访问转换后的RGB像素，进行图像处理。
3 视频图像数据采集
    视频解码芯片输出内嵌同步字符8 bit视频数据，参照解码芯片输出DATACLK时钟，FPGA采集视频解码数据。FPGA采集之前先要进行图像裁剪、交织处理。裁剪处理是为了产生640×480的像素面，交织处理即变隔行视频数据为逐行视频输出，即两场图像交叉嵌入一个存储体中，形成一帧。当一帧存储完毕后，切换存储体，而先前的存储体内容参照系统时钟，依次像素处理送DVI编码芯片进行显示。
3.1 视频信号采集控制
    视频输出信号为内嵌同步字符8 bit Y：Cb：Cr=4：2：2输出，本设计中视频信号采集采用状态机控制法。视频信号采集控制状态机表示如图3所示。

    Idel：默认空闲状态。如果视频采集标志capture置位，则进入Wait State状态；如果capture不置位，则停留在Idel状态。
    Wait State：此时如果收到数据0xff，则进入State1，其他情况仍然循环停留。
    State1：如果此时收到数据0x00，则进入State2；收到其他数据则进入Error。
    State2：如果此时收到数据0x00，则进入New page状态，否则状态返回到Wait State。
    New page：此时视频处于消隐状态，如果收到的视频数据vpo[6：5]=01，则正在消隐，转入第一行数据接收状态First Line，否则跳回Wait State状态。
    First Line：如果收到vpo[6:4]=000，表明下一个数据即视频图像数据，否则返回到Wait State。
    Chroma blue：正确有效的数据，如果此时接收到vpo=0xff，则表明数据转入End Line，如果收到vpo=0x00，则转入Error状态。
    Luma blue：亮度蓝色数据，接收完转入Chroma red状态。
    Chroma red：色度红色数据，接收完转入Luma red状态。
    Luma red：亮度红色数据，接收完转入Chroma blue状态。
    End Line：如果vpo[6:4]=011，表示奇数场结束，偶数场将要开始，转入New line状态；如果vpo[6：4]=111，表示一帧数据结束，转入Idle状态；如果vpo[5：4]=01，表示一行结束，下一行将要开始，转入New line状态；否则进入Error状态。
    New Line：如果接收到的vpo[5：4]=00，表示有效数据接收，转入Chroma blue状态；否则转到End Line状态。
    Error：错误状态，ITU-RBT656规定Y=[16 235] CBCR=[16 240]范围内，越此范围就为错误状态。如果capture=1，跳转到Wait state状态，否则停留在Error状态。该系统具有自动错误恢复能力。
3.2 图像剪裁处理
    PAL-D制式视频在ITU-RBT.656标准下，输出像素面为720×576大小，而本设计中要求输出大小为640×480像素面，所以必须使得行720像素变为640个，采用每9个像素丢弃1个像素，因为Y/Cb/Cr是交替输出的，即Cb-Y-Cr-Y传输，每个像素都有亮度数据Y，但是色度Cr和Cb是交替的。如果第1个像素是Cb和Y数据，则第8个像素即为Cr和Y数据，第9个像素为Cb和Y数据，现在丢弃第9个像素数据，先把第10个素的Cr数据和第11个像素的Cb交换，这样就保持了Cb和Cr的交替。视频中采取每6行可视像素丢弃1行，对于576行可视像素，实际丢弃96行，即变为实际可显示480行。
3.3 图像交织与存储处理
    视频信号采集控制处理后产生行、场、帧、视频有效标志及每场视频行数、每行像素点数。本设计利用这些信号组合作为存储地址控制字写入SSRAM，每2个DATACLK为1个像素数据，4个DATACLK为2个像素数据32 bit，FPGA控制每4个DATACLK写入一次32 bit数据。
    每场视频可视行为288行，占用2进制位9 bit，奇偶场标志1 bit，每行像素有640个，存入SSRAM时按照每2个像素写入一次，故每行像素为360个写入次，设计为9 bit，总共为19 bit，正好占用完19 bit地址线。
    奇偶场标志就是上述EAV/SAV状态字中的F，电视视频中，首先传输的是偶数场，此时A9=0；其次传输的是奇数场，此时A9=1。帧控制位frame定义为1 bit，当完成一帧的传输后就使frame<=frame+1，这样帧控制位就是0-1-0-1-0-1序列，完成一帧传输就翻转一次。帧控制位用来切换存储体，当帧控制位切换在第一片SSRAM上时，偶数场先存入到SSRAM中，然后奇数场数据嵌入到SSRAM中。
4 图像处理和DVI编码显示
    视频采集的图像已经交替存入SSRAM中，当一帧存储完毕，该存储体就可以进行处理上传。图像处理包括Y/Cb/Cr 4：2：2格式转化为Y/Cb/Cr 4：4：4，Y/Cb/Cr转化为RGB格式，可实时RGB像素处理，像素处理后按照行、场同步信号依次送入DVI芯片。
4.1 YCrCb转RGB处理
    首先处理的是Y/Cb/Cr 4：2：2格式转化为Y/Cb/Cr 4：4：4格式，就是对每个像素扩展其色度数据，使得每个像素为24 bit。其中8 bit为亮度数据，8 bit为Cr数据，8 bit为Cb数据。
    由YCrCb数据转换为RGB数据可按照下式：
  R=1.164×(Y-16)+1.596×(Cr-128)
  G=1.164×(Y-16)-0.813×(Cr-128)-0.392×(Cb-128)(1)
  B=1.164×(Y-16)+2.017×(Cb-128)
    实际上FPGA片内不能进行小数运算，因此把需要运算的数左移9 bit，且运用FPGA片内的乘法器宏单元完成。则式(1)变为式(2)：
    R=596×Y+817×Cr-114 131
    G=596×Y-416×Cr-200×Cb+69 370(2)
    B=596×Y+1 033×Cb-141 787
    这样得到的RGB信号只需要右移9 bit就可以得到正确的8 bit数据位宽度的RGB信号，对RGB像素的处理受NiosII核控制，挂接在NiosII核上的Avalon从设备有3 bit控制信号，其值从0～7，分别对应灰度处理、像素水平线性放大插值处理、水平缩小处理、原三彩色输出和无定义。
    若进行灰度处理，则按照下式计算：
    Y=0.299×R+0.587×G+0.114×B(3)
    在计算时也需要先左移9 bit，采用3路乘法MULT_
ADD宏单元计算，计算结果右移9 bit。如果进行水平像素放大，则采取线性插值法，其他图像处理按照相应算法进行。
4.2 视频数据输出和DVI配置
    DVI输出刷新频率为75 Hz，输出屏幕像素为640×480，查VGA时序表得到在640×480@75 Hz时，水平像素总共为840，垂直像素总共为500，行频为37.5 kHz，点时钟频率为31.5 MHz，这个频率由FPGA片内PLL倍频得到。配置DVI芯片引脚，设置IDCK+为像素时钟31.5 MHz，IDCK-接地，DE表示有效像素数据使能，其值在有效行和有效列内为高电平，否则为低电平。行、场同步信号由在FPGA片内编写的DVI模块产生时序控制。通过I2C口配置SiI178芯片，设置其为正常工作方式，VSYNC、HSYNC为正常输入状态，输入总线为24 bit宽，IDCK+下降沿将数据打入DVI编码芯片。
    系统采用FPGA为主控芯片，通过一片FPGA完成视频解码数据的采集和图像处理，并在FPGA片内配置NiosII软核，作为初始化TVP5146和SiI178使用，在图像处理模块中挂接Avalon从设备，YCbCr转换为RGB后可以通过NiosII处理器编写C算法处理或者通过NiosII的标志信号进行处理，处理结果直接送DVI编码器。采用乒乓交织算法，保证了图像不闪烁和无锯齿现象。