基于低成本FPGA的高清低碼流H.264攝像機SoC參考設計

　　FPGA的內部結構如下圖所示：

圖2 FPGA的內部結構圖

　　FPGA的選用

　　在高清低碼流H.264攝像機的結構中，除了圖像傳感器、存儲器、電源和模擬接口外，所有的功能如圖像處理、H.264編碼、協議處理、參數管理、媒體流發送等都由FPGA實現，FPGA就是高清低碼流H.264攝像機的 SoC;目前世界上FPGA的生產商只有幾個，可選擇的產品也不多，要用FPGA實現高清低碼流H.264攝像機的SoC，選擇一款合適的FPGA非常重要，FPGA的選擇主要考慮三方面的因素：速度、成本和結構;每個FPGA生產商都有多個FPGA系列，每個系列的速度、性能和價格都不同，要使高清低碼流H.264攝像機SoC的成本盡可能低，應該選擇成本最低的系列，像我們選擇的FPGA是Altera公司的CYCLONE IV系列，型號是EP4CE115F23C8，CYCLONE IV是低成本系列，在同樣是低成本系列的FPGA中，CYCLONE IV的速度是最快的; FPGA的結構對圖像處理也很重要，尤其是存儲器和乘法器的數量，H.264算法是以宏塊為單位，在處理過程中必然會涉及到宏塊的輸入輸出和緩存，1個宏 塊的數據為384字節(256字節亮度數據和128字節色度數據)，如果考慮到輸入輸出和處理的并行，必須設置雙份，即768字節，用CYCLONE IV的1個M9K存儲塊正好，從上面的分析可以看出適合圖像處理的FPGA對內部存儲器的要求是存儲塊容量小(如1KB)、存儲塊數量多，另外，對乘法器的要求也是數量多;在我們選擇FPGA的時候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存儲器邏輯比和乘法器邏輯比，很適合做圖像處理。

　　圖像傳感器的選擇

　　為 了滿足1280x720x25fps的要求，只需要選擇百萬像素的傳感器就可以了，我們最終選擇了300萬像素的AR0331，還可以實現 1920x1088x11fps，在實現1280x720x25fps時還有電子PTZ功能，AR0331還有寬動態功能，便于攝像機以后擴充寬動態功 能。

　　外部存儲器

　　外部存儲器有2片LP DDR SDRAM和1片串行FLASH，串行FLASH用于存儲FPGA的配置數據和NIOS的數據程序，1片LP DDR SDRAM用于存儲圖像數據和編碼結果，1片LP DDR SDRAM用于NIOSII運行ucLinux。

　　FPGA實現的功能

　　FPGA作為高清H.264攝像機的SoC實現的功能如下：

　　① 圖像處理

　　● 邊緣檢測RAW插值計算

　　簡單的RAW插值計算會造成邊緣模糊，增加邊緣檢測判斷可以避免造成邊緣模糊;

　　● 3D濾波

　　從圖像傳感器出來的圖像包含有噪聲，去噪同時在幀間和幀內進行;

　　● 2D銳化

　　由于鏡頭等因素影響，從圖像傳感器出來的圖像需要銳化才能清晰;

　　● GAMMA校正

　　從圖像傳感器出來的圖像灰度不正確，需要做GAMMA校正，獲得正確的灰度;

　　● 自動曝光控制

　　根據亮度條件調節適合的曝光參數;