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构建基于FPGA的低成本IP监视摄像机

来源:CPS中安网      作者:Altera公司      2011-7-21 22:33:50

  目前的视频监视市场在发展过程中遇到了很多要解决的难题,包括从模拟到数字摄像机的过渡、转换到高清(HD) 视频、应用宽动态范围(WDR) 传感器,以及实现进行数据传输和控制的互联网协议(IP) 链接等。针对这些问题,本文介绍了如何采用FPGA构建IP 监视摄像机的参考设计,展示了怎样采用低成本Altera Cyclone III FPGA 构建完整的系统。

  引 言

    在视频监视市场领域,对更高质量视频、高分辨率以及灵活性和功能的需求促进了从模拟到数字摄像机的过渡。在定义上,高清(HD) 视频必须是数字的,因此,采用HD标准也就意味着过渡到数字传感器。HD 视频标准支持更高的帧速率和分辨率,需要H.264 等新压缩方法,促使摄像机具有更强的处理能力。

  在各种照明条件( 强光和暗光、强对比度) 下都要求能够提取出所有图像内容,因此,数字摄像机采用了新一类WDR 传感器,摄像机也要求在数字域中实现动态范围压缩。摄像机中数字数据通路的另一优点是可以在摄像机内部进行“分析”处理。

  IP 监视摄像机参考设计

    图1 所示为IP 监视摄像机参考设计的顶层结构图和硬件,它主要面向新一代HD (>1MP) WDR 传感器。IP 监视摄像机参考设计结合了Altera 以及多家合作伙伴的硬件和软件知识产权。图1.IP 监视摄像机参考设计结构图。

IP 监视摄像机参考设计结构图

    图2 显示了参考设计的硬件平台,基于Cyclone III EP3C120 开发板。Aptina WDR 传感器像素数据被送入Apical 的图像传感器流水线(ISP)。输出数据是YUV4:2:0 格式,写入到外部DDR2 SDRAM 的帧缓冲中,它使用了Altera 视频和图像处理(VIP) 套装提供的组件。然后,使用EyeLytics 提供的内核,以H.264 格式对视频数据进行编码,支持( 在这一应用中)3 级基线/ 主要类视频流,通过以太网在远程主机上观看。散射收集直接存储器访问(SGDMA) 控制器支持Altera 三速以太网(TSE) MegaCore ?功能,将编码后的视频流通过以太网传送到远程客户端。图2.IP 监视摄像机参考设计硬件

IP 监视摄像机参考设计硬件

    宽动态范围传感器

    Aptina MT9M033 是0.33" 720p60 WDR CMOS 传感器,主要用于监视摄像机市场。传感器和镜头组合安装在“顶板”上,通过I/O 转换板将其连接至Cyclone III EP3C120开发板。图像传感器流水线CMOS WDR 传感器没有片内图像流水线处理功能,以RAW/Bayer 格式输出图像数据,每像素为20 比特。可以采用下式来计算传感器输出的大量原始数据:20 比特/ 像素 x (1280 x 720) 像素/ 帧x 60 帧/s = >1 Gbit/s由于数据量过大,因此,很难将新一代WDR 传感器连接至监视解决方案中经常使用的ASSP。因此,FPGA 是高效处理数据的理想选择。Apical 的ISP ( 图3) 包括以下功能:

    ■ 去除热点像素,抑制噪声( 提供空间和时域IP 内核)。
    ■ 使用Apical 获奖的专利Iridix IP 内核实现单位像素高级色调映射功能
    ■ 高级去马赛克和颜色校正

    与图4 顶部未处理的图像相比,图4 底部显示了Iridix 内核怎样从强对比度场景中尽可能多的提取出细节内容。特别是,较暗的区域并没有受到较亮区域过渡感光的影响。图4.Apical ISP 强对比度场景效应

    ISP 输出可以作为参考设计的一个选项,通过Bitec DVI 输出电路板连接至CycloneEP3C120 开发板的第二个HSMC 连接器( 显示在图2 的左侧硬件中)。

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