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《成都理工大学》 2018年
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基于FPGA的视频采集系统设计与实现

邱越  
【摘要】:随着社会的发展和科技领域的创新,给各行各业带来了突飞猛进的发展,安防行业也随之体现出越来越重要的影响和作用,特别是城市平安、科技强军、校园安防等政府市政建设的推广以及应用,以高清视频监控为主的安防产品体现出规模化、超常态化的发展势头。过去视频监控领域主要是模拟和模数混合的监控设备,如今传统的监控设备已经被逐渐的替代,取而代之的是全数字化、智能化的高清数字监控设备。传统的分辨率主要是CIF、D1格式,这些传统的图像分辨率格式也逐步的被全数字化的高清分辨率标准所替代。百万高清的视频正快速的占领各个领域并被人们所接受。视频监控已经成为各个领域安防系统非常重要的组成部分。论文基于FPGA的高清视频采集与显示系统,针对近年来高清数字视频技术不断进步并已在学校、国家安全、环保行业、煤矿业、部队、武警、钢铁行业、林业、交通、商业、医疗等领域等到广泛应用,因此市场急需相对成本较低、体积小、性能可靠的高清视频采集与显示系统的需要,利用所学FPGA技术自行研发设计了一款实用的高清视频采集与显示系统。系统针对国内外的研究方向和市场需要,主要研究了一种基于FPGA(现场可编程门阵列)为核心,采用高清摄像头(分辨率为1080P)实时的采集图像信息,将高清的图像数据流送入FPGA进行处理然后送出到高清显示器上进行显示。根据FPGA的特性,强大的并行处理能力和现场可编程特点,能够更加容易将算法实现,使得该系统具有更好的继承性和移植性。系统主要实现的是高清视频信息的采集、处理和显示,当需要进行远距离的传输时只需要做一些改动便可适应后端的数据传输和高清显示。论文研究工作主要体现在如下几个方面:第一,研究了国内外高清视频采集与显示技术的现状和最新成果,提出了利用FPGA实现对高清视频信号的采集、处理、传输与显示的应用系统的设计方案。第二,进行了系统的各个功能单元的设计,包括前端高清视频采集模块、Camera Link接口差分转单端信号模块、中央数据处理模块、存储缓冲模块、DVI时序产生模块以及后端高清显示模块。其中高清摄像头采集的图像分辨率为1920x1080,帧频为25fps,图像解码芯片为DS90CF386,图像编码芯片为TFP410。第三,系统的硬件和软件模块均是自主设计,与传统的监控设备相比采用FPGA架构进行设计的一个优势是可以将整个系统的处理延迟降到最低,在需要的情况下通过调整DDR3存储中缓存数据可以将延迟缩短为1帧。另一个优势是借助于FPGA丰富的管脚和强大的并行处理能力,可以同时采集并处理多路视频信息,在降低成本的同时也提高了数据的处理速度。第四,系统采用ISE14.7软件平台进行编程和在线调试,采用Verilog硬件描述语言进行代码编写。在前期仿真和调试的时候通过程序内部产生黑白灰度条和彩色方块的模拟数据代替Camera Link接口的数据进行时序仿真和功能仿真,当各模块都确认正常以后再将图像数据从模拟源切换为真实图像进行调试,系统采用专业的第三方EDA仿真工具Modelsim对各个模块进行波形仿真。当时序仿真达到预期设计目标以后再将程序下载到FPGA芯片中进行调试,验证FPGA输出到显示器上的视频信息是否与摄像头输入的信息一致。在切换为真实图像进行调试的时候出现图像质量严重失真的情况,针对该情况进行了详细的分析和调试,最终通过逐级调试的方案定位到问题点并且解决了问题,系统达到预定的设计效果。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41;TN791

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