视频采集输出实验1

1.1.1SEED-XDTKXUPV2Pro实验箱整体配置与特点1.1.1.1SEED-XDTKXUPV2Pro实验箱原理SEED-XDTKXUPV2Pro实验箱原理框图如下：整个实验箱我们可以看作由两部分组成：XUPV2PRO模块和SEED-XDTK_MBOARD模块。其中XUPV2PRO模块也就是我们平常所说的开发板，主要包括V2Pro芯片；时钟管理模块；ACE模块平台FLASHCFUSB下载；DDR;MGT(8个)；高速扩展口；音频输入输出；串口；以太网接口；XSGA；拔码开关；LED；开关电源；系统电源开关。后面将重点对V2Pro芯片做介绍，其他各器件的作用将在实验的过程中体会到。SEED-XDTK_MBOARD板卡通过使用XUPV2Pro板卡的扩展接口（J5与J6）实现SEED-XDTKXUPV2Pro教学实验平台的功能扩充。SEED-XDTK_MBOARD板卡通过一颗CPLD来实现各个功能的切换。主要包括CPLD功能模块；视频输入；RTC时钟模块；串行、并行转换；蜂鸣器；LCD；CAN模块；LED点阵；LED；数码管显示；USB2.0接口；液晶显示器。1.1.1.3SEED-XDTK_MBOARD板卡简介SEED-XDTK_MBOARD板卡通过使用XUPV2Pro板卡的扩展接口（J5与J6）实现SEED-XDTKXUPV2Pro教学实验平台的功能扩充。SEED-XDTK_MBOARD板卡通过一颗CPLD来实现各个功能的切换。SEED-XDTK_MBOARD板卡资源介绍1路并行高速A/D，8位，1M1路并行高速D/A，8位，1M1路串行高速A/D，12位，30M1路串行高速D/A，12位，30MLCD显示模块（122*32）8段数码管显示模块LED点阵显示模块（16*16）1路USB通讯模块RTC+EEPROM模块蜂鸣器键盘模块（17按键）7寸640x480液晶显示器以上只是对SEED-XDTK_MBOARD板卡资源的简单介绍，具体的芯片、管脚介绍以及CPLD的功能切换将在文档后面介绍。1.1.1.4实验箱与开发板的差异在上面介绍了SEED-XDTKXUPV2Pro实验箱的同时，结合Vritex-2实验开发板，我们来对实验箱和开发板做一个比较，开发板就相当于实验箱的板卡部分。根据硬件设计，SEED_XDTK_MBOARD板卡上的资源实现分为三类：FPGA直接控制FPGA通过SEED_XDTK_MBOARD板卡上CPLD控制FPGA直接控制和通过SEED_XDTK_MBOARD板卡上CPLD共同控制开发板没有CPLD芯片的装置，开发板上能够做到的直接通过FPGA控制的实验资源包括：串行AD、DA并行AD、DALCD液晶蜂鸣器RTC时钟芯片CAN总线控制芯片在试验箱上面FPGA通过CPLD共同控制资源包括：8个LEDLED点阵8个数码管17键键盘FPGA和CPLD共同控制资源包括：USB通讯芯片TVP5150视频芯片另：在实验箱的MBOARD板卡上CPLD资源分配。FPGA通过2个控制引脚（MULTI_IO16、MULTI_IO17）控制XDTK板卡上的CPLD，实现功能模块的切换。FPGA提供给CPLD的控制引脚共35根，其中MULTI_IO16、MULTI_IO17作为功能控制引脚，其余33根引脚（D00-D15、MULTI_IO00-MULTI_IO15、MULTI_IO18）做为数据输入、输出使用。在本实验箱设计中CPLD功能类似于拨码开关，根据FPGA的功能控制引脚的状态进行功能模块的切换。根据CPLD程序，将SEED_XDT_MBOARD板卡上的资源分为3个功能区：数码管、键盘及USB功能控制区LED及TVP5150视频功能控制区LED点阵功能控制区3.5.4视频采集输出实验背景知识：本参考设计主要在EDK的XPS平台上完成基于Powerpc405处理器的视频采集系统，目标板使用XUPVirtexⅡProboard。本系统的主要组成部分有：CCD摄像头、视频编码板VDEC1、VirtexIIPro开发板、DAC模块和VGA显示器。采用FPGA实现数据的采集、处理及作为液晶屏的显示接口。相对普通微处理器，FPGA时钟频率高、接口多，满足高速数据传输需要，提高系统的实时性和准确性；相对DSP而言，用户I/O较多，不需扩展即可实现数据实时采集和输出，且便于实现外加存储器扩展。此项目应用范围很广，它可用于交通、商场、超市、银行等场所的监控及流量统计。下图所示为该系统的整体框图。图3.1视频采集捕获系统框图系统主要包括视频信号输入模块，视频信号处理模块和视频信号输出模块，视频数据捕获模块等4个部分组成。在视频信号处理模块采用FPGA实现，按照Top-down设计方法，此模块可分为几个部分：行域解码、YUV4:2:2到4:4:4的转换、YUV格式到RGB格式的转换、线缓冲、视频数据捕获。实验原理基本原理：视频输入模块将采集的多路视频信号转换成数字信号送到FPGA，一般利用高速摄像头(如CCD)采集实时图像，在VDEC1板通过解码芯片把模拟信号的视频流转化成YUV格式的数字视频流；视频处理模块主要有FPGA完成，根据需要对输入的数字视频信号进行处理，先进行行域解码，提取了与视频流相关的所有时钟信息，然后把YUV4:2:2颜色样本转化为全速率采样的4:4:4颜色样本，YUV格式的视频流需被转化成RGB格式，进入线缓冲器；视频输出模块将FPGA处理后的信号转换成模拟信号，才可以在标准的VGA显示器上输出视频流；同时，视频数据捕获模块，实现了把捕获RGB格式的数据存储在DDRRAM中。RGB：RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色。RGB色彩模式使用RGB模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0~255范围内的强度值。例如：纯红色R值为255，G值为0，B值为0；灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都为255；黑色的R、G、B都为0。RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16581375种颜色。在RGB模式下，每种RGB成分都可使用从0（黑色）到255（白色）的值。例如，亮红色使用R值246、G值20和B值50。当所有三种成分值相等时，产生灰色阴影。当所有成分的值均为255时，结果是纯白色；当该值为0时，结果是纯黑色。目前的电脑显示器都是采用了RGB颜色标准，在显示器上，是通过电子枪打在屏幕的红、绿、蓝三色发光极上来产生色彩的，目前的电脑一般都能显示32位颜色（数字信号），约有一百万种以上的颜色。YUV：YUV（亦称YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），它被用于模拟全球视频(NTSC,PALandSECAM)。YUV中的Y代表亮度。UV代表色差，U和V是构成彩色的两个分量。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和CB来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。为了在VGA显示器上显示彩色图形，YUV彩色空间必须被转换为RGB彩色空间。4:2:2and4:4:4彩色样本YcbCr是YUV数字化记录的彩色空间。Y是亮度(luma)，Cb和Cr是U、V不同颜色信号。在次级样品中，只有颜色被压缩了，而不是亮度，因为与颜色构成相比，人的眼睛更适应于亮度。4:2:2颜色样本指在水平分辨力中Cb与Cr被取样。Cosited指Cb、Cr与Y一起被同时取样。现在都认为4:2:2颜色样本质量最好，它被广泛采用着。如3.4显示4:2:2颜色样本。4:2:2方式采样．4:2:2的格式承载了一半4:4:4的色度（也就是说对实际的色度带宽进行了2:1的压缩处理）．在图像色彩过渡中缺乏柔和与自然的缺点。4:4:4颜色样本指Cb、Cr与luma一样被全速率采集，R,G,B三基色的色度带进行原始取样不作任何压缩处理（这种方式也被称为＂全带宽＂或＂全色度＂），能保证较高的图像品质，但却要占用巨大带宽。图3.5显示了4:4:4颜色样本。图3.2:The4:2:2colorsampling图3.3:The4:4:4colorsampling模块简介：1）VDEC1模块VDEC1板子的ADV7183B视频解码器能将NTSC、PAL与SECAM视频信号数字化。ADV7183B视频解码器芯片自动检测标准模拟基带视频信号，并用54MHZ采样频率将模拟信号数字化。输出数据将以8位或16位Ycrcb4:2:2的格式被送到XUPVirtexⅡProboard上。Ppc405处理器通过OPB总线上外挂的I2C总线IP核对ADV7183B的视频解码器芯片进行控制和初始化操作。下图显示的是VDEC1板子的组件：包括下面的特征：视频信号输入支持S-video，分立信号，混合信号，本设计中输入信号是一个Y，U，V三个信号源的组合信号（YUV）。它和主电路板之间的数字化视频流通过高速数据连接器来传输。I2C兼容控制数据总线且对其内部寄存器初始化。8位或16位YCrCb4:2:2输出。在VDEC1板内使用了一个稳定的27HMZ时钟源，作为视频数据采样率。可编程控制包括白色峰值，色度，亮度，饱和度及对比度。2）I2C的初始化I2C总线是双向二线制总线，由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，任何时候时钟信号都是由主控器件产生。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。I2C总线在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是：开始信号、数据信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。为了转换视频流，是用一个I2C总线来为AVD7183B视频解码器芯片初始化，并对其可写的控制寄存器设定正确的初值。视频的输入格式（S-Video,Component,orComposite）应被选择，混合的信号是输入信号的格式，因此结构中需要混合格式的编码。输出信号设置成8位的YUV格式。以下的c语言代码解释了怎样通过I2C总线来初始化VDEC1板。#defineDECODER_COMP_CONFIG_CNT18structVideoModuledecoder_comp[]={{0x00,0x04,0},{0x15,0x00,0},{0x17,0x41,0},{0x27,0x58,0},{0x3a,0x16,0},{0x50,0x04,0},{0x0e,0x80,0},{0x50,0x20,0},{0x52,0x18,0},{0x58,0xed,0},{0x77,0xc5,0},{0x7c,0x93,0},{0x7d,0x00,0},{0xd0,0x48,0},{0xd5,0xa0,0},{0xd7,0xea,0},{0xe4,0x3e,0},{0xea,0x0f,0},{0x0e,0x00,0}};voidconfi