基于FPGA技术的视频采集系统设计及实现

论文摘要

随着人们安全防范意识的提高,视频监控系统的需求越来越大,性能要求也越来越高。作为视频监控系统的前端——视频采集系统已经成为视频监控系统性能提升的最大瓶颈。传统的视频采集手段已经不能满足当前对高速视频采集的广泛需求。同时,由于传统视频采集系统技术的局限,无法灵活的适应当前视频源格式的多样性。本文介绍了一种新的视频采集系统的设计方案,实现了具有视频采集功能的FPGA（现场可编程门阵列）前端系统。该系统充分利用了FPGA器件在视频处理方面的优势,提升了性能,使系统更具灵活性,可满足不同视频格式的需求。系统具有性能的优越性、设计的灵活性、功能的可裁剪性及良好的集成性等特点。在此基础上,深入分析视频采集系统的工作过程,系统的功能模块划分如下:ITU-R656解码、视频帧缓存、去隔行、视频去噪、色彩空间转换、I2C（Inter Integrated Circuit）配置、VGA控制和FPGA配置等模块。视频采集系统最重要的是视频采集的实时性。对系统实时性影响最大的是计算量最大的视频处理部分,其中涉及到视频解码、矩阵运算、去隔行及滤波去噪等。系统设计中充分利用了FPGA并行处理的优势和FPGA内嵌的DSP模块的功能,对系统进行了合理的硬件加速,提高了处理速度,节省了硬件开销。最后,对视频采集系统进行了功能验证。结果表明,系统能够满足功能和处理时间的要求,具有很大的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 行业用户市场快速扩张
• 1.1.2 个人用户市场巨大潜能亟待开发
• 1.2 国内外发展的现状
• 1.2.1 视频监控系统发展历程
• 1.2.2 视频监控系统国内外现状及发展方向
• 1.3 系统的综述与实现的意义
• 1.3.1 传统视频采集系统的局限性
• 1.3.2 基于FPGA 技术视频采集系统的优越性及不足
• 1.4 课题的主要工作
• 第2章 FPGA 技术简介和硬件选型
• 2.1 FPGA 技术介绍
• 2.2 FPGA 的设计流程
• 2.3 Verilog HDL 介绍
• 2.4 课题中软硬件开发平台介绍
• 2.4.1 本课题硬件开发平台
• 2.4.2 Quartus II 6.0 开发软件简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 视频采集系统基础理论
• 3.1 CCD 摄像机介绍
• 3.2 显示扫描原理
• 3.3 模拟视频信号源
• 3.3.1 电视信号的制式
• 3.3.2 视频信号的组成
• 3.3.3 YCbCr 色彩编码介绍
• 3.4 视频信号数字化
• 3.5 模拟视频信号解码电路的设计及初始化配置
• 3.5.1 ADV7181B芯片和寄存器功能介绍
• 3.5.2 模拟视频信号解码电路设计
• 2C 总线介绍'>3.5.3 I²C 总线介绍
• 3.6 本章小结
• 第4章 FPGA 视频采集系统的设计及实现
• 4.1 系统的功能框图和总体设计
• 4.2 ITU-R656 解码模块设计
• 4.2.1 视频数据流的识别
• 4.2.2 ITU-R656 解码模块的实现
• 4.3 视频帧缓存模块设计
• 4.3.1 存储器的选型
• 4.3.2 视频帧缓存的实现
• 4.3.3 乒乓操作控制算法介绍
• 4.3.4 算法在视频帧缓存控制中的应用
• 4.3.5 视频帧缓存的功能仿真
• 4.4 去隔行模块设计
• 4.4.1 现有去隔行算法的比较
• 4.4.2 去隔行算法的选定
• 4.4.3 帧内行复制法的实现
• 4.5 视频去噪模块
• 4.5.1 图像滤波算法分析
• 4.5.2 一种快速中值滤波算法研究
• 4.5.3 快速中值滤波算法效果分析
• 4.5.4 快速中值滤波算法的FPGA 实现
• 4.6 色彩空间转换模块
• 2C 配置模块设计'>4.7 I²C 配置模块设计
• 4.8 VGA 控制模块设计
• 4.8.1 VGA 显示设计分析
• 4.8.2 VGA 控制器的实现
• 4.9 FPGA 配置电路模块
• 4.10 本章小结
• 第5章 系统调试与分析
• 5.1 系统构成
• 5.2 系统调试
• 5.3 显示结果对比分析
• 5.4 系统性能测试分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢