基于低成本FPGA的高清低碼流H.264攝像機(jī)SoC參考設(shè)計(jì)

　　FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　FPGA的選用

　　在高清低碼流H.264攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)中，除了圖像傳感器、存儲(chǔ)器、電源和模擬接口外，所有的功能如圖像處理、H.264編碼、協(xié)議處理、參數(shù)管理、媒體流發(fā)送等都由FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA就是高清低碼流H.264攝像機(jī)的 SoC;目前世界上FPGA的生產(chǎn)商只有幾個(gè)，可選擇的產(chǎn)品也不多，要用FPGA實(shí)現(xiàn)高清低碼流H.264攝像機(jī)的SoC，選擇一款合適的FPGA非常重要，F(xiàn)PGA的選擇主要考慮三方面的因素：速度、成本和結(jié)構(gòu);每個(gè)FPGA生產(chǎn)商都有多個(gè)FPGA系列，每個(gè)系列的速度、性能和價(jià)格都不同，要使高清低碼流H.264攝像機(jī)SoC的成本盡可能低，應(yīng)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(hào)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(jié)構(gòu)對(duì)圖像處理也很重要，尤其是存儲(chǔ)器和乘法器的數(shù)量，H.264算法是以宏塊為單位，在處理過(guò)程中必然會(huì)涉及到宏塊的輸入輸出和緩存，1個(gè)宏 塊的數(shù)據(jù)為384字節(jié)(256字節(jié)亮度數(shù)據(jù)和128字節(jié)色度數(shù)據(jù))，如果考慮到輸入輸出和處理的并行，必須設(shè)置雙份，即768字節(jié)，用CYCLONE IV的1個(gè)M9K存儲(chǔ)塊正好，從上面的分析可以看出適合圖像處理的FPGA對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器的要求是存儲(chǔ)塊容量小(如1KB)、存儲(chǔ)塊數(shù)量多，另外，對(duì)乘法器的要求也是數(shù)量多;在我們選擇FPGA的時(shí)候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存儲(chǔ)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(mǎn)足1280x720x25fps的要求，只需要選擇百萬(wàn)像素的傳感器就可以了，我們最終選擇了300萬(wàn)像素的AR0331，還可以實(shí)現(xiàn) 1920x1088x11fps，在實(shí)現(xiàn)1280x720x25fps時(shí)還有電子PTZ功能，AR0331還有寬動(dòng)態(tài)功能，便于攝像機(jī)以后擴(kuò)充寬動(dòng)態(tài)功 能。

　　外部存儲(chǔ)器

　　外部存儲(chǔ)器有2片LP DDR SDRAM和1片串行FLASH，串行FLASH用于存儲(chǔ)FPGA的配置數(shù)據(jù)和NIOS的數(shù)據(jù)程序，1片LP DDR SDRAM用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)和編碼結(jié)果，1片LP DDR SDRAM用于NIOSII運(yùn)行ucLinux。

　　FPGA實(shí)現(xiàn)的功能

　　FPGA作為高清H.264攝像機(jī)的SoC實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　① 圖像處理

　　● 邊緣檢測(cè)RAW插值計(jì)算

　　簡(jiǎn)單的RAW插值計(jì)算會(huì)造成邊緣模糊，增加邊緣檢測(cè)判斷可以避免造成邊緣模糊;

　　● 3D濾波

　　從圖像傳感器出來(lái)的圖像包含有噪聲，去噪同時(shí)在幀間和幀內(nèi)進(jìn)行;

　　● 2D銳化

　　由于鏡頭等因素影響，從圖像傳感器出來(lái)的圖像需要銳化才能清晰;

　　● GAMMA校正

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

　　● 自動(dòng)曝光控制

　　根據(jù)亮度條件調(diào)節(jié)適合的曝光參數(shù);