构建基于FPGA的低成本IP监视摄像机

　　视频和图像处理套装

 

        Altera  VIP 套装汇集了MegaCore 功能，设计人员可以利用它方便的开发定制视频和图像处理设计。VIP 套装含有MegaCore 功能，从颜色空间转换等简单的构建模块功能到可编程多相缩放等复杂的视频缩放功能。这些功能适合用在多种图像处理和显示应用中，例如视频监视、广播、视频会议、医疗和军事成像等。

　　在IP 监视摄像机参考设计中，采用了多种VIP 内核进行颜色空间转换，采用色度重新采样功能将ISP 的RGB 编码视频转换为H.264 编码器要求的YUV 4:2:0 编码输入。如图5 所示，内核连接至应用了Avalon-ST 视频协议的Avalon ?流(Avalon-ST) 接口。使用Avalon 存储器映射(Avalon-MM) 接口，Y 和C 视频分量被写入外部DDR2 存储器的帧缓冲。

　　在H.264 编码之前，跳过视频间隔帧，在帧缓冲写入器中，720p60 传感器帧速率被转换为720p30，而不是将其写入帧缓冲中。

　　视频压缩

 

      该设计中使用的H.264 编码器( 图6) 是EyeLytics 公司提供的IP 内核，它针对监视应用进行了优化。这一内核具有很多监视功能，包括多通道支持、恒定质量速率控制、帧内/ 帧间模式、QPEL、前后关系自适应二进制算法编码(CABAC)/ 前后关系自适应长度可变编码(CAVLC)，并且使用了较少的逻辑门。内核同时支持主要类和基线类。
 

　　三速以太网MAC

 

          Altera TSE MegaCore 功能结合了10-/100-/1000-Mbps 以太网介质访问控制器(MAC)和1000BASE-X 物理编码子层(PCS)，以及可选物理介质附加子层(PMA)。Cyclone IIIEP3C120 开发板包括10/100/1000 base-T 和自动协商以太网PHY，其简化千兆位介质无关接口(RGMII) 连接至TSE 功能。

　　Avalon 总线架构和DDR2 帧缓冲存储器采用了一块具有150 MHz 32 位数据总线的外部DDR2 SDRAM，由Altera DDR 和DDR2SDRAM 高性能II 控制器MegaCore 功能对其进行控制，它用于应用程序代码和数据存储、输入和输出帧缓冲以及H.264 编码器的中间帧缓冲。为达到时序和性能目标，Avalon-MM 总线架构是75 MHz 128 位宽。Avalon 仲裁共享功能应用于连接DDR2 存储器控制器的每一Avalon-MM 总线主机，以保证不中断的高效访问H.264 编码器的突发数据。 整个系统采用了时钟交叉桥接、定时器和并行I/O 等多种标准Avalon 组件。为简单起见，图6 并没有显示这些组件。
 

　　工具流

 

       使用Altera SOPC Builder 工具，以完整的芯片系统(SOC) 来实现IP 监视摄像机参考设计。使用SOPC Builder，设计人员在GUI 中设定系统组件，由SOPC Builder 自动产生互联逻辑。SOPC Builder 产生定义系统中所有组件的HDL 文件，然后，顶层HDL 文件将所有组件连接起来。在Verilog HDL 中生成IP 监视摄像机参考设计，而SOPCBuilder 能够同时生成Verilog HDL 和VHDL。

　　ISP 和H.264 编码器可以是具有Avalon-MM 接口的SOPC Builder 组件，易于集成到Altera 具有标准外设的系统中，以及第三方IP 和设计人员自己的组件构成的系统中。SOPC Builder 含在Altera Quartus ? II 开发软件中，提供了全面的多平台设计环境，很容易满足特殊的设计需求。Quartus II 软件为FPGA 和CPLD 设计的所有阶段提供解决方案：

　　■ 设计输入
        ■ 综合
        ■ 布局布线
        ■ 时序分析
        ■ 仿真
       ■ 编程和配置

       使用Altera Nios ? II 嵌入式设计套装进行软件开发。基于SOPC Builder 设计中的组件，生成电路板支持包(BSP)，包括所有必须的器件驱动程序等。
 

　　软件应用

 

       采用Nios II 嵌入式处理器来设置不同模块中的各种寄存器，同时运行RTP 堆栈，传送压缩视频。采用以太网MAC 模块来控制ISP，嵌入式处理器运行Micrium 的uC/OSII实时内核、InterNiche 技术公司的NicheStack 和RTP 堆栈，以及Altera 参考设计的视频流应用程序和网络服务器应用程序。处理器还处理ISP 的自动曝光和自动白平衡控制功能。

　　视频流应用程序响应H.264 编码器的中断，重新装入各种缓冲指针。重新装入功能使其能够准备要编码的下一视频帧，将刚刚编码后的帧通过以太网传送至RTP 堆栈，以便继续传输。通过网络服务器应用程序，支持ISP 进行简单的控制，使传感器在正常和WDR 模式之间切换，使能和禁止Iridix。这种控制功能具有实时显示ISP 的优势。网络服务器应用程序还支持对编码器进行配置，包括比特率和质量等，在CABAC 和CAVLC 之间进行选择。

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