基于USB2.0的視頻圖像處理芯片實現方案

　　1 引言

　　隨著計算機技術、微電子技術的高速發展，實時圖像處理在多媒體、圖像通信等領域有著非常廣泛的應用。FPGA 芯片在集成度、容量和速度方面都達到了較高的水平，是實時圖像處理的理想選擇，基于FPGA 的圖像處理芯片的研究已成為信息產業的新熱點。USB2.0 接口是一個傳輸速率可以達到480Mb/s的串行接口，并由不同類型的外圍設備共享這個接口總路線，基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片是按照USB協議進行設計的。USB2.0 接口的面世，推動了高清數碼攝像頭的普及應用，加上同期寬帶的飛速發展，電腦攝像頭的本地和遠程視頻效果都有了大幅度提升。國內USB2.0 的視頻圖像處理芯片現在發展迅速，比如深圳的艾科創新、珠海的炬力等公司都相繼推出了各自的產品。本文介紹了一種基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片的實現方案，并在搭建的仿真和驗證平臺上，對系統進行了功能仿真和FPGA 驗證，結果證實本設計達到了設計要求。

　　2 基于USB2.0的視頻圖像處理芯片的整體實現方案

　　基于USB2.0 視頻圖像處理芯片在硬件上由8 個模塊組成：微處理器模塊（MCU）、MCU 總線接口模塊（MCU Bus Interface）、USB2.0 收發器模塊（USB2.0PHY）、USB2.0 串行接口引擎模塊（USB2.0 SerialInterface Engine,簡稱USB2.0 SIE）、數據緩沖模塊（Data Buffer）、DMA 傳輸控制器模塊（DMA）、圖像處理單元 （PU） 、圖像預處理單元（PPU）。其結構框圖如下圖1 所示。

圖1 基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片結構框圖

　　其中，MCU模塊、USB2.0 PHY模塊和USB2.0 SIE模塊使用已有的IP 核，而其它模塊均采用硬件描述語言（Verilog HDL）自行設計。

　　MCU 模塊負責協調控制整個系統的運作；MCUBus Interface 模塊負責各模塊的部分地址譯碼及相關數據的選通，以便于MCU 統一管理。USB2.0 PHY 模塊負責USB 物理層的鏈接，并將USB2.0 的總線信號變成標準的UTMI 接口信號；USB2.0 SIE 模塊負責處理USB 協議層的操作，完成USB 協議包生成和解析，以及接收來自DMA 的圖像數據，并將其保存在數據緩沖模塊，完成與MCU 進行的互動；DataBuffer 負責將處理后的圖像數據緩存起來，以備USB 同步幀傳輸時取出后發送至PC;DMA 模塊完成將PU 處理后的圖像數據傳送給USB2.0 SIE;PPU 模塊完成獲取來自Sensor傳感器輸出的圖像數據，并且對數據進行各種圖像方面的處理，然后將處理后的圖像數據發送至PU.

　　3 PPU模塊中核心部件的設計

　　PPU 模塊所完成的功能主要是：（1） YCbCr4:2:2格式到YCbCr4:4:4 格式的轉換；（2） RGB565 格式到RGB888 格式的轉換；（3） Bayer 數據壞點修正及Bayer格式到RGB888 格式的轉換。其中第三個功能是本模塊的最重要的功能，本方案中采用了"兩條線偽雙端口+六級流水線"的方案來實現，其原理圖如圖2所示。

圖2 Bayer 數據壞點修正及格式轉換的硬件原理圖。

　　從圖2 可以知道，在本方案中把壞點修正算法與格式轉換算法做在了一個模塊中。壞點地址存儲模塊，主要是用來接收從MCU 輸出的壞點信息。偽雙端口RAM1、RAM2 是用來臨時存儲Bayer 圖像中的前兩行數據。而右端的六級流水線模塊，它的作用是完成相應的壞點修正和格式轉換。其中，六級流水線的前面五級的作用是完成3×5 窗口的壞點修正，而后面三級是為了完成3×3 窗口的格式轉換。

　　邏輯管理模塊的主要作用是統一管理六級流水線的相應操作，其內部包含一些計數器、比較器。從圖中還可以看到，P24、P34 分別把數據寫入了RAM1、RAM2,這主要是為了更新RAM 中的數據，使得3×6 窗口能夠漫游Bayer 圖像的每一個像素點。同時本設計對圖像的邊緣也做了很好的處理，采用鏡像技術對邊緣做了很好的修正。