FPGA增强了数码相册功能

随着我们不断以像素为单位捕获生活快照，我们正在积累一系列软件工具和设备来查看，编辑，存储，个性化和共享我们的数码照片。一个能够可靠地提供所有这些功能的单一、易于使用的系统将简化和增强照片制作过程。

来自北京交通大学信息科学研究所的一名学生设计工程团队使用基于FPGA的可编程片上系统（SOPC）解决方案创建了一个便携式多功能数码相册。虽然传统的数码相册主要能够存储和显示图像，但这种动态原型还允许用户直接即时编辑和个性化数码照片，并通过互联网将图像传输到他们的家庭或办公室PC。

这张专辑的基础技术包括一个高度集成的系统，其中包括FPGA中的嵌入式处理器。SOPC设计集成了图像处理功能，压缩，解压缩，传输和接收。自上而下的 SOPC 设计流程（图 1）帮助团队大大缩短了设计周期。

图 1：采用自上而下的嵌入式处理器开发流程的可编程片上系统（SOPC）设计可以提供灵活性并加快上市时间。

灵活的系统设计

使用SOPC生成器，设计团队通过Avalon总线集成了应用程序的所有功能模块。集成工具使团队能够快速构建一个结合了软件和硬件组件的稳定系统。该开发平台由 Altera DE2 开发和教育多媒体板组成，该板带有旋风 II FPGA 和 Nios II 嵌入式处理器。

该团队优化了设计，以降低功耗，同时使用更少的设计资源。该团队使用 Nios II 嵌入式处理器进行设计，使用自定义指令和外设来加速系统操作，从而增强了性能。

设计团队还整合了适应未来增强功能和功能扩展的能力。例如，通过集成的通信接口，相册可以将个性化的数字图像发送到手机。

无需 PC 即可实现强大的处理能力

数码相册具有以下功能：

数码照片存储

利用开发板上的安全数字（SD）卡接口，该团队将数据、需求和地址线从SD卡加载到Avalon总线，使嵌入式处理器能够控制SD卡数据的读取和写入。

数码照片查看和回放

使用MicroC/FS嵌入式文件系统，相册可以通知嵌入式处理器附加存储介质中可用的照片文件，因此用户可以随时查看其图像。

特殊音乐效果

此功能使用压缩的 G.729 代码流作为音乐格式，并使用嵌入式实验室解码算法来播放选定的曲调。

照片格式压缩和解压缩

该团队将JPEG解码器模块集成到嵌入式处理器中，使用解码后的RGB数据进行所有处理，并将照片压缩为JPEG格式以进行网络传输。

数码照片网络传输

该存储驱将网络接收的 JPEG 代码流传输到 FPGA 进行处理。之后，相册通过FPGA将处理后的照片数据压缩为JPEG代码流，并通过网络传输这些流，允许用户共享图像。设计团队创建了一个具有网络功能的电路板，该电路板通过通用I/O引脚与FPGA连接（见图3）。

图 3：数码相册的硬件设计架构包括网络连接，以实现照片共享。

用户界面

通过为开发板配备PS/2接口，设计团队能够将鼠标和键盘功能加载到Avalon总线上，并修改板载电路，使嵌入式处理器能够响应PS/2外设。

数字照片和音频文件管理、照片编辑和处理以及水印嵌入和提取

嵌入式平台提供了支持提供这些功能的软件所需的处理资源。

系统硬件设计

相册应用程序由以下模块组成：

· SD 卡文件系统

· 键盘输入

· 音频数模转换器

· 网络控制器

· 液晶控制器

· 显卡显示器

· J 形编解码器

· 图像处理

· 音频解码

出于系统兼容性目的，设计人员使用SD卡作为照片和音乐的主要存储介质。为了获得更快的读/写性能，在开发平台上将单行SD卡读取设置修改为四行模式。

键盘和鼠标模块使用相同的协议。在每个周期中，数据线传输一些数据，时钟线传输读取的脉冲。这使设备能够将数据传输到主机，反之亦然。

尽管原型使用LCD显示器，但设计团队还创建了一个具有水平和垂直时间序列的VGA接口。SRAM存储器用作图像数据存储器，显示解压缩和处理后的图像。

系统软件设计

MicroC/OS-II 嵌入式操作系统在嵌入式处理器上运行，为数码相册应用提供软件平台。操作系统调度功能任务，作为集成多种功能的稳定平台。设计团队选择将 MicroC/OS-II 用于此应用，因为它具有效率、实时性能、小尺寸和可扩展性。

JPEG 编解码器模块转换图像格式。对于编码，系统：

· 读取位图文件并将图形信息存储在数据体系结构中

· 转换颜色模型

· 将数据划分为 8x8 块

· 对每个 8x8 数据块执行离散余弦变换 （DCT） 逆变换、逆量化和解码

· 利用读取信息生成解码所需的所有表

· 将数据存储为 JPEG 文件

对于解码，系统：

· 读取 JPEG 文件并将图形信息存储在数据体系结构中

· 利用读取信息生成解码所需的所有表

· 将数据划分为 8x8 块

· 对每个 8x8 数据块执行 DCT 逆变换、逆量化和解码

· 转换颜色模型

· 将数据存储为位图文件

通过这些过程，数字相册补充了数码相机，允许用户直接和实时地查看和编辑存储在相机中的照片。

随时随地编辑和共享

基于SOPC的设计方法为团队提供了极大的灵活性，并使系统集成能够缩短设计周期。使用多功能数码相册，摄影师拥有一个方便的系统，可以从几乎任何位置轻松快速地处理他们的图像。

审核编辑：郭婷