基于FPGA的電子穩像系統的設計

電子攝像系統已廣泛應用于軍用及民用測繪系統中，但是效果受到其載體不同時刻姿態變化或震動的影響。當工作環境比較惡劣，尤其是在航空或野外操作時，支撐攝像機平臺的震動會引起圖像畫面的抖動，令觀察者視覺疲勞，從面產生漏警和虛警。所以在運行中，如何穩像成為十分重要的問題，特別是在長焦距、高分辨力的監視跟蹤系統中更加突出。具璞蒿、實性性強、體積小巧等特點，得到更廣泛的應用。

穩像系統的反應速度是電子穩像要解決的關鍵技術之一。傳統的基于“攝像機-圖像采集卡-計算機”模式的穩像系統、圖像檢測和匹配算法全部由計算機以軟件方式實現。盡管當今計算機的性能很高，能夠部分滿足單傳感器電子穩系統的實時處理要求，但在以下幾個方面有著難以解決的問題：首先，其固有的串行工作方式使得單計算機難以適應其于多傳感器視頻處理系統的實時穩像，阻礙了在實際中的應用adw欠，傳統的圖像采集卡中能將采集圖像數據實時傳輸給計算機，而不能傳輸給標準接口的視頻監視設備lk之很多應用場合對聽要求很高。因此，研制專用的電子穩像平臺，既能實時地高速獲取視頻數據，又能將數據實時地傳后續的圖像處理系統，既有實際意義又有工程價值。

1 系統涉及的關鍵技術

攝像頭輸入的PAL制式電視信號首先通過視頻處理接口完成對其解碼、同步和數字化的工作，數字化后的圖像信息進入到由FPGA實現的幀存控制器中，完成數據的交換(數據的緩沖)，同時完成系統要求的去隔行和放大的操作，最后處理好的數據通過VGA控制器，完成時序變化，經視頻、A變為模擬信號送到VGA監視器上實時顯示。

1.1 視頻處理接口

由于在進行視頻處理時，多為從攝像頭輸入模擬信號，如NTSC或PAL制式電視信號，除圖像信號外，還包括行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號等。因而對視頻信號進行A/D轉換的電路也非常復雜。Philips公司將這些轉換電路集成到了一塊芯片中，從而生產出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7111，為視頻信號的數字化應用提供了極大的方便。

系統設計采用SAA7111對復合信號進行采樣、同步產生、亮色分離并輸出標準的數字化信號。SAA7111輸出的數字化圖像信息符合CCIR.601建議，PAL制式的模擬信號數字化后的圖像分辨率為720×572，像素時鐘13.5MHz。在本穩像系統中要求圖像輸出符合VGA(640×480，60Hz)標準，因此在采集數據時要對數據進行選擇，避開行、場消隱信號和部分有效像素信息，在較大的圖像中截取所需要的大小。SAA7111向幀存控制電路輸出像素時鐘(LCC2)、水平參數(HREF)、垂直參考(VREF)、奇偶場標志信號(ODD)和16位像素信息(RGB565).其中LCC2用來同步整個采集系統;HREF高電平有效，對應一行720個有效像素;VREF高電平有效，對應一場信號中的286個有效行;ODD=1時，標志當前場為奇數場;ODD=0時，標志當前場為偶數場。采用16位RGB表示每個像素的彩色信息。圖1(a)為數字化圖像中的一行像素的時序圖。其中兩個HREF分別表示有效行的起始與結束位置，實際為一個信號;可以清楚地看到一行中有效的720個像素與像素時鐘LLC2的對應關系，在采集時通過幀存器控制電路選擇其中部的640個像素進行采集。圖1(b)為一幀數字圖像的輸出時序圖。可以看到在第*～22行時，VREF處于無效狀態，因此在后續的采集中，這部分的信息不予處理并通過ODD的電平區分奇偶場數據。

1.2 去隔行支持

PAL制電視信號采用隔行掃描機制，采用人眼的視覺暫留來實現兩場1/50s掃描312.5行的圖像構成625行(一幀)圖像。而標準的VGA顯示模式采用逐行掃描方式，在一個掃描周期內實現對圖像的完全掃描。因此需要對視頻信號進行去隔行處理。視頻信號在經過緩沖后，按照取樣時鐘把經過模數轉換的數字信號送入存儲器緩存，通過數據內插的方法進行數據擴展，即相鄰行之間按照一定的算法進行加權，從而得到內插行的數據，再以適當的速度讀取處理后的數據，即可實現倍行頻/倍場頻的掃描。倍行頻掃描可以消除行間的閃爍現象，倍場頻掃描雖然行掃描頻率不變，但是場頻加倍，即能消除行間閃爍現象，還可以消除場間的大面積閃爍。去隔行問題的實質就是在每一場中填補被跳過的那些行，其過程如圖2所示。