基于FPGA的视频图像控制器的设计
来源:用户上传
作者: 李磊 白桦林
【摘 要】 视频图像控制器方案是基于FPGA开发的，采用一片SDRAM作为缓存，在Altera FPGA上采用Verilog语言，通过在片内跨时钟缓存处理视频图像数据来实现的“基于SDRAM的显示控制器”。通过纯硬件算法，实现字符图像叠加，并对多画面叠加、半透明显示等特效的显示进行设计。整个设计以EP2C8Q208C8的视频显示系统作为硬件平台，通过OV7670摄像头实现视频数据的实时采集。
【关键词】 视频图像 FPGA SDRAM 显示控制器
1 引言
通过视觉获取的视频图像信息往往比通过听觉获取的音频信息具有更大的信息量。而且还具有确切、直观、具体生动、效率高、应用广等一系列优点。包钢集团巴润矿业公司是包钢集团主要的原料基地，是及采选为一体的现代化矿山。视频控制器在巴润公司选矿系统中起到必不可少的作用。课题就是为了提高视频的精度和可靠性而设计的一个视频图像控制系统，本控制器主要的开发对象是视频叠加技术。视频叠加在工业、医学、军事和商业等领域有着广泛的应用前景。
2 设计思想
系统以FPGA为平台，实现基于SDRAM的显示控制器的同时，结合硬件电路设计实现相关算法已达到视频处理的目的。通过Verilog HDL语言不仅能够实现画面叠加、半透明、OSD等算法，而且从中展示出了硬件实现相关算法的优势。系统的核心部件是“基于SDRAM的显示控制器”，它由SDRAM控制器，VGA控制器，硬件算法模块，外部数据通讯接口等组成，实现了视屏图像的采集，存储，以及数字屏的驱动显示。
整个平台，需要熟练地掌握并且运用FPGA，以及Verlog HDL硬件描述语言，以及Modelsim中Tesbench测试代码的能力。本系统选择了Altera的FPGA，配合硬件，实现相关功能。
3 设计方案
视频图像处理系统包括采集、处理、存储和显示4个部分如（图1）所示。
视频采集模块采用的是基于FPGA和SDRAM的视频采集处理系统，作为系统的核心模块基于FPGA和SDRAM的视频采集处理系统设计比较灵活，产品体积小，能对图像进行比较复杂的处理。由于FPGA的高速高精度、运算能力极强、并行运算能力还有其在数字领域“无所不能”的地位，在未开发领域，以及处理器无法实现的研究中，用FPGA来实现高速算法，可以达到用CPU无法实现的指标。而课题中的视频处理系统，旨在研究高速图像显示控制器，以及存储系统。课题涉及到的画面重叠、半透明、OSD的硬件实现算法的研究，正是数字图像处理领域的内容。由于其扫描速度快，精度高，用FPGA设计显示控制器，不仅在设计上能够突破瓶颈，极大地降低成本，而且使得视频显示系统更加灵活，便于优化升级。另外系统的FPGA设计以其可靠性、先进性、高效性、体积小、灵活性强等特点，逐步成为设计者的首选。随着对视频叠加要求的提高，很多领域要求在视频图像上叠加各种复杂的图形并且要求精度高和可靠性好，以往的单片机控制的视频叠加系统已经逐步不能满足要求，而FPGA设计的图像处理系统可以高效的完成任务。
显示功能的实现分为两个部分完成。现实的驱动和数据的存储。显示器采用的是VGA液晶显示器，其接口为VGA接口，兼容传统CRT显示器，显示器电路要求正确的DAC视频转换电路，系统中采用TI的ADC7123视频转换芯片。同时显示器要求严格的时序，在高速时序的处理中，恰好是FPGA胜任的领域。其次，视频显示的数据量相当大，可达到每秒几十针，分辨率在百兆左右的视频数据。系统中采用Zental的A3V64S60ETP-66 SDRAM，标配能达到166MHz的读写速度，同时其时序严格性更加苛刻。
课题方案在实现显示控制器的同时，又要求实现多画面叠加技术、半透明、OSD等图像处理的算法。图像处理算法可以用软件来实现，但用硬件实现的优势在于，它可以脱机处理，而且速度快很多。课题采用的便是通过Verilog HDL硬件语言实现汉子图像叠加、画面叠加、半透明、OSD等图像处理算法。以此来展现硬件实现相关算法的优势。
设计中采用了Altera的EP2C8Q208C8FPGA芯片，OV7670摄像头，Zental的A3V64S60ETP-66 SDRAM，M25P16 2M字节flash芯片。
4 预期目的
经过测试，在70MHz宽带下，系统的采集、存储、处理功能均可实现，系统在能够处理异步跨时钟域数据的同时，同步进行视频图像处理，实现了1280*1024@60Hz的视频。能够完成字符、图像、多画面叠加的视频处理方式。
参考文献：
[1]吴继华等. Altera FPGA/CPLD设计（高级篇）（第2版）[M].人民邮电出版社出版，2011.2.
[2]王旭东.基于FPGA的视频图像叠加系统帕设计与实现[J].电子技术应用，2007.33.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-4503905.htm
