摘 要: 以FPGA為核心芯片的視頻監測系統,結合MAX+PLUSII介紹了用VHDL進行的FPGA設計,實現對視頻信號的實時監測。詳細描述了對圖像靜止的判斷,并指出了在FPGA設計過程中應注意的問題。
關鍵詞: FPGA VHDL 視頻監測
電視信號質量的優劣直接關系到廣大人民群眾的切身利益。電視也是現代化大眾傳媒工具和信息工具,其重要性不言而喻。為了確保電視信號高質量、不間斷地播出,必須對播出質量進行實時監測。電視視頻實時監測系統就是針對這一目的而設計的。
實時視頻監測系統的主要定性監測指標有:“是否藍屏”、“是否黑屏”、“是否無圖像”和“圖像是否出現靜止”等,其中對于“圖像出現靜止”的實時監測具有待處理數據量大且判別方式復雜等特點,同時還要保證處理過程的實時性。所以這是實時視頻監測系統中的難點,也是本文的重點。本文主要闡述了采用VHDL硬件描述語言對現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)進行設計,實現大數據量高速處理的算法,以達到對圖像靜止實時監測的目的。
1 視頻監測系統簡介
系統結構如圖1所示。系統采用Philip公司的視頻A/D芯片SAA7114H,將模擬電視信號轉化為數字信號,同時產生同步信號。用ALTERA公司的ACEX1K系列EP1K30芯片作為控制器進行高速數據的讀寫及比較操作,而以高速SRAM作為存儲器。
視頻信號進入SAA7114H后,可以得到行場同步信號以及量化后的象素值。然后可以在FPGA中,通過判斷有無行場同步信號以得出是否有圖像。還可以通過對YUV值的判斷知道是否為藍屏或是黑屏,也可以將某場象素值保存,并與下一場進行比較,就可以知道是否為圖像靜止。用于比較的門限可以通過8051進行設置,比較的結果送到8051中做進一步的處理。
2 對“圖像靜止”判斷的實現
分析“圖像出現靜止不動”的特點是:相鄰二場或多場圖像的畫面相同,此時的視頻信號采樣后的相鄰二場中相同點的象素值應該是相近的。所以,只要能判斷出二場象素值是否相近就可以判斷圖像是否靜止。故在系統中,需要將上一場的各點象素值存入SRAM中,并在新一場信號到來時,先讀出SRAM中相應點的數值,進行比較,然后將新的數據存入SRAM,等待下一場數據到來時重復以上動作。
根據以上的算法,系統需要FPGA產生SRAM地址及讀寫控制信號和比較控制信號,并進行數據的比較。由于待處理數據量大且系統的實時性要求,故對數據的比較以流水方式在時鐘的驅動下按拍分解進行。
2.1 視頻信號采樣
要實現對模擬電視視頻信號的數字化監測,首先要對視頻信號進行數字化處理。這里采用Philips公司的SAA7114H芯片對模擬電視信號進行數字化。SAA7114H具有6路視頻輸入,可以對PAL制、NTSC制和SECAM等制式的全電視信號進行自適應的A/D轉換,輸出格式為Y:U:V=4:2:2的數字視頻碼流,量化后的YUV值與模擬視頻信號亮度及色度的對應關系如圖2所示。在SAA7114H芯片內部集成了抗混迭濾波和梳狀濾波等,可以直接輸出高質量的數字視頻信號。它具有自動的場頻檢測特性,且可以直接從I/O腳輸出場同步信號IGPV、行同步信號IGPH及其時序關系如圖3所示的象素時鐘ICLK,而省去了同步電路的設計。芯片內部鎖相環技術的集成使得系統的可靠性和穩定性均有很大提高。
SAA7114H還可以通過對控制字的設置,直接控制行同步的有效時間。這些控制字可以用CPU通過I2C總線進行配置。這樣,可以很方便地避開行消隱期的采樣,而直接對有效數據進行處理。
2.2 FPGA的模塊設計
本系統的核心控制部分由1片ALTERA公司基于SRAM工藝的ACEX1K系列FPGA實現。它可實現在系統多次編程,特別適合于實驗板和多功能樣機的設計。這里,采用了Top-Down的設計方法,以VHDL語言進行控制部分的設計。下面先根據系統指標要求,將系統的功能細分如下。
(1)控制信號產生和比較部分
本模塊產生SRAM的讀寫控制信號nRDOUT、nWROUT和比較時鐘CMPCLK,并且對讀出的數據進行實時比較。其中nRDOUT和nWROUT都必須滿足相應SRAM的時序要求,CMPCLK必須在數據從SRAM讀出并穩定之后才可以有動作。為了便于從上層軟件來控制底層硬件的操作,將何時讀SRAM并進行比較的權力交給CPU,由SEL來控制,并且可以在需要時將SRAM中的數據讀入CPU。其控制信號時序如圖4所示。
在CPU需要對數據進行比較時,將數據從SRAM中讀出(nRDOUT低電平有效),并與當前數據進行比較,若二者之差在DIFFERENT內則輸出EN為高電平,否則為低電平。當EN為高電平時,在CMPCLK的上升沿開始計數。數據比較模塊仿真結果如圖5所示。
(2)數據預處理和地址產生部分
為了使在SRAM的相應地址準確地存入相鄰二場相同位置的象素值,需要慎重對待SRAM地址的產生,且要避免對行消隱期的數據進行處理。可以用SAA7114H的控制字來控制IGPH的有效寬度,而讓IPGH、IPGV和ODDEVEN作為使能信號。
在系統中,SAA7114H輸出的象素時鐘高達27MHz(即周期為37ns),而要在如此短的時間內完成數據的讀寫比較,對SRAM是極大的考驗。但可以采用多通道、多SRAM的方法來降低對單個SRAM的讀寫頻率,不過這樣會大大占用FPGA的I/O口,增加系統的成本。因此在系統中,基于夠用的原則,只對奇場象素中的亮度(Y)進行讀寫比較,這樣數據處理的周期可增加到148ns。該部分的VHDL實現如下:
ARCHITECTURE behav OF AddrGen IS
SIGNAL addrclk :STD_LOGIC;
SIGNAL temp :INTEGER RANGE 0 TO 3;
SIGNAL addrtemp:STD_LOGIC_VECTOR
(18 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(ICLK,AddrEN)
BEGIN
IF (AddrEN=′0′) THEN//只在IPGH &
IPGV & ODDEVEN=1時進行操作
temp <=0;
ELSIF (ICLK′EVENT AND ICLK=′1′) THEN
IF (temp=1) THEN
//取UYVY格式象素
//中的Y值
BPD<=IPD;
END IF;
temp<=temp+1;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(ICLK,TEMP)
BEGIN
IF (ICLK′EVENT AND ICLK=′0′) THEN
IF TEMP=1 THEN //當象素值為Y值
//時,生成地址產生時鐘
addrclk<=′1′;
ELSE
addrclk<=′0′;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (addrclk,AddrCLR)//生成Y值保存的地址
BEGIN
IF (AddrCLR=′0′) THEN
addrtemp<=(OTHERS=>′0′);
ELSIF(addrclk′EVENT AND addrclk=′1′) THEN
addrtemp<=addrtemp+1;
END IF;
END PROCESS;
Yclk<=addrclk;
ADDRESS<=addrtemp;
END behav;
(3)與SRAM的接口
VHDL在語法上提供了in、out、buffer、inout四種端口形式。buffer端口是會傳遞的,也就是說,與buffer端口相連接的必須還是buffer端口,而in/out端口的信號流向不是很明確。因此通常情況下,只有在與SRAM或CPU的雙向數據線連接時使用in/out端口。要注意的是:在仿真時,in/out端口自動分為in和out端口;在輸入數據時,讓out保持三態,而在要輸出數據時打開,此時需注意要滿足三態的要求,否則容易出現信號沖突的情況。由于ALTERA公司的器件不支持內部三態,因此內部信號不能賦給高阻,所以建議在底層文件中不要直接使用in/out,而是分別用in和out來實現相同的功能,在頂層文件中用in/out端口或用圖形輸入時直接用bidir即可,如圖6所示。
借助于VHDL語言及其綜合工具,可以不關心具體器件的選擇。但是在系統設計中需要注意,不能僅從軟件的角度來看待VHDL問題。VHDL語句最終是要用硬件實現的,所以應充分考慮到每一條語句在實際中所對應的電路。
3 小 結
本系統采用專用視頻A/D芯片進行模數轉換,用FPGA作為控制處理器,可以大大提高系統的運行速度,減小電路板的尺寸,降低系統設計的難度,增加系統的可靠性和設計的靈活性。用VHDL語言進行FPGA設計,具有方法簡單、易讀和可重用性強等特點。
本系統能夠很好地實現對電視視頻的實時定性監測。本設計已成功應用于某電視信號監測系統中,并取得良好效果。
參考文獻
1 Altera Corporation.ACEX1K Programmable Logic Family Data Sheet.2000
2 Philips Semiconductors.SAA7114H Data Sheet.2000
3 黃正瑾,徐堅.CPLD系統設計技術入門與應用.北京:電子工業出版社,2002
4 曾繁泰,陳美金.VHDL程序設計.北京:清華大學出版社,2001