基于SoPC的实时视频处理与显示设计

当前基于软核处理器的图像系统已成为研究的热点，使用FPGA来构建基于片上可编程系统(SoPC)的图像处理系统，已成为一种趋势[1]。因此，本文采用SoPC技术，在Altera公司单片Cyclone系列FPGA上使用IP资源复用技术集成了NiosII软核处理器及各种输入输出接口，完成了对视频图像的采集、预处理、存储和显示几大功能。本系统对图像进行了灰度均衡化处理，使系统应用更广。由于直方图均衡能直接从已知的图像中提取信息，不需要额外的参数说明，所以在军用、航空、商业等领域，特别是红外图像增强领域[2]有实际的意义。SoPC是Altera公司提出来的一种灵活、高效的柔性设计，不需要修改硬件[3]，就可方便地扩展和修改嵌入式视频采集功能。同时，由于融入众多的IP核，保证了设计的高效、快速。

　　1 系统总体结构及工作原理

　　系统框图如图1所示。系统上电后，Nios II软核中的I2C控制总线对视频采集模块SAA7113H进行配置，FPGA依靠像素时钟和行、场信号同步采集SAA7113H芯片输出的视频信号中的灰度视频数据，把采集到的灰度数据进行灰度直方图统计和灰度分布均衡化处理。Nios II软核外部加一个延迟模块，与灰度转换模块输出的信号同步之后，视频输入模块开始工作，通过存储控制、DMA控制器传输视频信号，LCD显示控制等模块显示所采集的信号。所有处理都采用流水线操作，大大节省了系统的处理时间。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 视频解码芯片SAA7113H初始化

　　本系统中视频解码器的初始化配置由Nios II软核处理器通过I2C总线完成，主要包括对视频解码器的工作模式，输出行、场同步参考信号的时序关系以及输出数字信号的格式等进行设置。I2C总线是由Philips公司开发的一种两线制总线，由一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL组成，可以实现数据通信，完成芯片配置。首先，I2C总线控制器发出一个数据传输的起始条件：SCL信号保持高电平、而SDA信号由高电平变为低电平时，开始传输地址数据流。起始条件满足后，发出一个8 bit的设备从地址，所有的外围设备开始响应起始条件并转换下一个8 bit寄存器地址(7 bit地址+1 bit读写位)，由高位到低位依次传输。外围设备识别出传输地址后，在第9个时钟脉冲(确认位)把数据线变为低电平，然后开始将8 bit数据写入或者读出寄存器(读写位决定了数据的传输方向)。当时钟线SCLK为高电平、而数据线SDA由低电平变为高电平时，表示一次数据传输完成，停止I2C总线，等待下一次的传输开始。图2为I2C总线的数据传输时序图。

 

　　从SAA7113H的4个模拟输入端AI11、AI12、AI21、AI22输入的视频图像信号，经A/D转换后产生数字色度信号和亮度信号，分别进行亮度信号处理和色度信号处理。亮度信号处理的结果送到色度信号处理器，进行综合处理，产生YUV信号，经格式转化后从VPO(8位)输出。所有这些功能均是在I2C总线控制下完成。SAA7113的寄存器配置通过I2C总线来进行，遵从I2C总线协议。表1是SAA7113H寄存器的“写”操作格式。

 

　　其中，S为起始位，条件是SCL为高电平、SDA有下降沿、ACK-s为从动设备应答位，P为终止位。在初始化过程中要注意：SAA7113H的节点地址(Slave Address)上电、RTS0为高电平时，其I2C写地址为48H，读地址为49H；RTS0为低电平时，其I2C写地址为4AH，读地址为4BH。

　　2.2 灰度直方图统计及其均衡化

　　通过输入系统获取的图像信息中含有各种各样的噪声与畸变，例如，光照度不够均匀会造成图像灰度过于集中，由CCD获得的图像经过A/D转换、线路传送都会产生噪声污染等，不可避免地会影响系统图像的清晰程度，降低图像质量。但通过图像增强可以改善图像质量。直方图均衡化算法是空域图像增强技术的重要算法，是图像压缩、图像分割和图像识别等后续图像处理的基础[2，4]，在图像预处理技术中有广泛的应用。

　　2.2.1 直方图均衡化原理

　　直方图均衡是以概率论为基础，运用灰度点运算来实现直方图变换。原始图像的直方图包含了丰富的图像信息，描述了图像的灰度级内容，反映了图像的灰度分布情况。直方图统计及均衡化的基本思想是对在图像中像素个数多的灰度级进行展宽，而对像素个数少的灰度级进行缩减，从而达到清晰图像的目的[5]。通过点运算使输入图像转换为在每一灰度级上都有相同的像素点的数目。在图像增强处理中运用如下公式：

　　(3)用累积分布函数作变换函数进行图像灰度变换。