基于FPGA的Camera Link视频信号处理技术的研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：16.88M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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声明

摘要

英文摘要

1 绪论

1．1 视频接口发展现状和Camera Link技术概述

1．1．1 视频接口发展现状

1．1．2 Camera Link技术概述

1．2 本文研究背景及意义

1．3 本文主要工作

2 Camera Link视频处理系统设计

2．1 视频处理系统功能需求与技术指标

2．2 系统方案设计

2．3 相机选型及引脚信号

2．4 系统硬件电路设计

2．4．1 FPGA基本电路模块

2．4．2 片外存储资源SDRAM模块

2．4．3．视频编码芯片ADV7343和ADV7123模块

2．4．4．Camera Link译码芯片模块

2．4．5 硬件电路电源模块设计

2．4．6 系统PCB设计

2．5 本章小结

3 相机的配置及数据采集处理

3．1 相机的功能模式

3．2 串口通信对相机工作方式的配置

3．2．1 串口通信格式

3．2．2 相机寄存器的设置

3．2．3 串口通信实现

3．3 相机数据采集

3．4 像素色彩空间的转换

3．4．1 Bayer转RGB

3．4．2 RGB转YUV

3．5 本章小结

4．视频处理系统软件实现

4．1 数据存储

4．1．1 FPGA内部存储RAM

4．1．2 外部存储SDRAM

4．2 复合视频接口输出

4．2．1 ADV7343的IIC配置

4．2．2 BT．656传输标准

4．3 VGA接口输出

4．3．1 VGA接口输出

4．3．2 字符叠加

4．3．3 按键控制

4．4 本章小结

5 本文总结与展望

5．1 本文内容总结

5．2 后续工作展望

致谢

参考文献

声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：殂聋颦沙c丫年；月湘学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：殛墨 Ⅵ·p年岁月踢日

硕士论文基于FPGA的Camera Link视频信号处理技术的研究摘由于Camera Link视频信号具有高分辨率、高传输速度、图像处理灵活、通信协议简单、传输接口结构易于实现等优势，因此近年来在民用领域如安防监控、视觉遥感、多媒体处理等方面具有大量的市场需求。本论文以FPGA为核心处理器，研制了一套能够采集并处理CameraLink视频信号，并支持多种视频接口显示的处理系统。本文首先对系统的功能需求进行了分析，在此基础上提出以FPGA为核心器件的 Camera Link视频信号处理系统的设计方案。方案中系统采集Camera Link相机的图像数据，将数据的色彩空间由Bayer转换为RGB或YUV，处理后的数据存储到SDRAM 中，并分别用ADV7343和ADV7123视频编码芯片完成复合视频接口输出和VGA接口输出。接着设计硬件电路的原理图和PCB板，并对系统硬件电路平台进行了搭建与调试。然后重点研究了Camera Link相机功能模式，通过串口通信完成对相机工作方式的配置，并对视频信号的处理进行了初步探讨。最后编写视频处理系统软件，对Camera Link视频信号进行采集、处理并存储，用FPGA普通I／O口模拟IIC总线对视频编码芯片进行配置，将视频信号以多种格式输出显示。关键词：CameraLink，FPGA，相机配置，复合视频，VGA

Abstract 硕士论文 Abstract As Camera Link video signals having the advantages of high resolution，high speed of transmission，flexible processing images，simple communication protocol，easy to implement transmission interface structure and SO on．In recent years，it iS also a large market demand in civilian areas such as security monitoring，visual sensing，multimedia processing．The thesis selected FPGA as core processor,developing a system which could collect images of Camera Link video images．At the same time the system supports displaying multiple video interface． Firstly,the functional requirements of the system were analyzed．Then design Camera Link video signal processing system with FPGA as the core component．The system collect image data of Camera Link camera．The color space data of Bayer is converted to the RGB or 融and storing the processed data to the SDRAM．The video encoder chip ADV7343 and ADV7 1 23 and were used to complete composite video interfaces output and VGA output． Then design hardware schematics and PCB board．And system hardware platforms were built with debug．Then focus on the Camera Link camera function mode．After configuratming the camera via serial communication，camera Can work，and processing video signals were discussed．Finally,write video processing system software，to collect，process and store Camera Link video signals．Use FPGA general I／O port simulating IIC bus configuration to configurate video encoder chip．So the image display on different video interface． Key words：Camera Link，FPGA，Camera configuration，Composite video，VGA II

硕士论文基于FPGA的Camera Link视频信号处理技术的研究目录摘曼要……．．。……………．．…．……。………。…．．。．……．………。。………．．…．…．．。…．．．…。…I Abstract．…．．…．．．．．．．．．……．．．．．．．．．………．．．．．．．…．．．．．．．．…．．…．．．．…．…．．．．．．．．．…．．…．．．…．．……．II 1绪论……………………………………………………………………………………………………．1 1．1视频接口发展现状和Camera Link技术概述………………………………………1 1．1．1视频接口发展现状……………………………………………………………．1 1．1．2 Camera Link技术概述…………………………………………………………2 1．2本文研究背景及意义…………………………………………………………………3 1．3本文主要工作…………………………………………………………………………3 2 Camera Link视频处理系统设计………………………………………………．5 2．1视频处理系统功能需求与技术指标…………………………………………………5 2．2系统方案设计…………………………………………………………………………5 2，3相机选型及引脚信号…………………………………………………………………6 2．4系统硬件电路设计……………………………………………………………………9 2．4．1 FPGA基本电路模块…………………………………………………………．．9 2．4．2片外存储资源SD删模块…………………………………………………11 2．4．3．视频编码芯片ADV7343和ADV7123模块………………………………．．12 2．4．4．Camera Link译码芯片模块…………………………………………………14 2．4．5硬件电路电源模块设计………………………………………………………15 2．4．6系统PCB设计………………………………………………………………．16 2．5本章小结……………………………………………………………………………．1 8 3相机的配置及数据采集处理……………………………………………………………19 3．1相机的功能模式……………………………………………………………………．19 3．2串口通信对相机工作方式的配置…………………………………………………．21 3．2．1串口通信格式…………………………………………………………………22 3．2．2相机寄存器的设置……………………………………………………………23 3．2．3串口通信实现…………………………………………………………………25 3．3相机数据采集………………………………………………………………………26 3．4像素色彩空间的转换………………………………………………………………．29 3．4．1 Bayer转RGB………………………………………………………………………………………29 3．4．2 RGB转YUV………………………………………………………………………………………．30 3．5本章小结……………………………………………………………………………．32 III

4．视频处理系统软件实现………………………………………………………………。33 5本文总结与展望…………………………………………………………………………50 致谢………………………………………………………………………………………………．52 参考文献………………………………………………………………………………。53 4．1数据存储……………………………………………………………………………．33 FPGA内部存储RAM………………………………………………………一33 4．1．2外部存储SDRAM……………………………………………………………34 4．2复合视频接口输出…………………………………………………………………．39 ADV7343的IIC配置………………………………………………………．．39 BT．656传输标准……………………………………………………………一41 4．3VGA接口输出………………………………………………………………………45 VGA接口输出………………………………………………………………………………．．45 4．3．2字符叠加………………………………………………………………………47 4．3．3按键控制………………………………………………………………………48 4．4本章小结……………………………………………………………………………．49 5．1本文内容总结………………………………………………………………………．50 5．2后续工作展望………………………………………………………………………．50 目录硕士论文 4．1．1 4．2．1 4．2．2 4．3．1

硕士论文 1绪论基于FPGA的Camera Link视频信号处理技术的研究 1．1视频接口发展现状和Camera Link技术概述 1．1．1视频接口发展现状由于人眼特殊生理结构，当单幅静态图像每秒连续播放大于24张时，看上去的图像效果是平滑连续的，我们把这种能够连续显示的画面叫做视频。早期的视频直观的用于电视机显示技术上，与电视机的发展类似，视频技术经历了三次质的飞越：从最早的黑白视频发展到彩色视频，再到现在高清数字视频。每一次技术的变革都提高了人们的视觉享受。传输线缆和显示设备之间要通过视频接口连接，视频接口从早期模拟信号时代的 TV端口到后来的AV端口和S-Video端子，再发展到目前的DVI、HDMI等数字视频接口，满足了当下视频技术对传输速率与带宽的需求【1】。发展的趋势是传输速率更高、容量更大，各种日新月异视频技术极大的满足了企业需求和人们生活。现在市场上新老产品共存、视频设备种类丰富，在传统的电视行业中(如家用电视、机顶盒、演播室、 DVD播放器等)主要采用复合视频接口，计算机显示器中广泛使用VGA接口。复合视频是将亮度信号与色差信号进行复合传输的视频信号。复合视频只需要一根线缆就能够实现视频信号的传输，使用的是RCA插头进行连接【l】，RCA接口和线缆制作工艺简单、操作简洁、价格实惠，如图1．1所示。在显示设置中解码电路将亮度信号与色差信号分离再显示。壤◆溪；图1．1复合视频接口随着计算机行业的飞速发展，其相应的显示技术也得到了显著提升，从起初的CRT 显示技术到现在的高清LCD显示技术，显示器接口也从VGA独霸一方到现在VGA和 DVI共同发展【2J。VGA接口也称D．Sub接口，是显卡上应用最为广泛的界面类型，属于模拟接口【引，如图1．2所示。计算机内部显卡将数字信号转换成模拟信号，在线缆中传输R、G、B三原色信号和行、场同步信号。显示器中模数转换电路再将模拟信号转换为数字信号，由于经过模数与数模转换后容易造成图像细节丢失，因此VGA接口一般只用在二十英寸以内的显示器上。

1绪论硕士论文图1．2 VGA模拟视频接口各种新产品新技术形成了多代产品共存、多种技术标准并用的格局，给人们的生活带来了诸多不便。并且在科学应用领域和工业数字视频市场缺乏统一的视频接口，使得工业相机生产商制造的产品与用户的图像采集卡很难整合使用，需要额外的接口转换器件或采集卡，也使得传输电缆各异。为了规范市场上多媒体视频设备，也为了兼容产品的多样性，须统一工业相机和图像采集卡之间的传输协议和连接器等标准。因此迫切需要制定和开发出一种新的协议来解决上述问题。 1．1．2 Camera Link技术概述在2000年，一些相机生产商和图像采集卡供应商等十多家公司共同开发的一种高速信号传输协议—C锄era Link协议。该协议确保了设备能够轻而易举的连接在一起，得到了一套兼容的工业数字相机和图像采集卡，很大程度上节约了客户花费在技术支持上的时剐41。标准电缆也能够可靠的传输更高数据率和更复杂性的数字信号，此外客户大批量购买电缆还可以有效的降低研发成本。 Camera Link标准是以Channel Link技术为基础发展起来的，它通过低压差分信号 (LVDS)来传输高速串行图像数据，其基本思想是在相机视频图像输出端用一个驱动器把七路并行LVTTL或LVCOMS信号转换为一路串行LVDS信号在线缆中传输，在图像采集卡端再用一个接收器将串行信号转换为并行数据信号。驱动器和接收器最高转换速率可以达到2．38Gbit／s141，且传输距离最长可达到10米。 Camera Link标准中使用的连接器是由美国3M公司设计的26脚MDR(Mini Delta Ribbon)，如图1．3所示，之所以选择它是因为优秀的设计和之前用于Channel Link高速传输的成功经验。3M公司设计了一种专门用于相机和图像采集卡之间的电缆，这种双绞屏蔽电缆满足高速差分信号的所有严格要求，它的有效长度范围在一米至十米之间。电缆两端的大小尺寸分别与相机端接口、图像采集端接口的大小尺寸相匹配，如图 1．3所示。Camera Link标准推荐电缆内部屏蔽引脚(Inner shield)与相机的数字地连接，图像采集卡的内部屏蔽引脚通过一个0欧姆的电阻与数字地相连【5】，其它没用到的线在两端对应引脚上各接一个100欧姆左右的终端电阻16J。 2

硕士论文基于FPGA的Camera Link视频信号处理技术的研究图1．3 Camera Link传输线缆和MDR26接口此外Camera Link协议还规定了相机通信方式，并提供一个应用程序接口，Camera Link相机内部功能模式寄存器可以改变相机输出方式，如不同的分辨率、帧频等，用户通过动态链接库或是其他串121通信方式与相机通信来控制相机工作。 1．2本文研究背景及意义在众多的工业数字相机中，Camera Link相机具有传输速率高、带宽高、通信协议简单的优点，在新型智能光电火控系统中具有广阔的应用前景。实际应用中由于Camera Link接口的显示器普及率不高，实用性不强，并且价格比较昂贵，故CameraLink视频信号无法直接显示。本文正是基于上述背景下，致力于研制一套支持多种视频输出接口的Camera Link视频信号处理系统。南京理工大学电光学院“光电子物理与技术”项目组己完成微光图像处理系统、红外图像处理系统、CCD与红外图像融合系统等多套光电处理系统，对多格式的视频处理技术具有丰富的经验。因此，项目组拟定在原有视频处理系统的基础上进行技术扩展，以Camera Link信号作为输入源，采用高性能的FPGA完成数据信号的转换与存储功能，数据信号经过不同的编码器处理后可实现多种视频格式的输出。 1．3本文主要工作本文的目标是研制一套Camera Link视频信号处理系统，该系统由硬件电路平台和软件框架构成，可以配置和驱动各种型号的Camera Link接口相机。系统前端对Camera Link信号进行采集，在FPGA内部完成像素色彩空间的转换，系统后端以复合视频接口显示和VGA接口输出。围绕上述要求，主要有以下几个方面的内容需要完成： (1)Camera Link视频信号处理系统设计：查阅Camera Link协议，对实现信号处理功能需求进行详细的分析，提出以FPGA为核心微处理器实现整体系统设计。 (2)系统硬件电路的设计：根据系统的功能，设计的硬件电路模块主要有Camera Link信号控制采集、外部存储、视频编码输出、电源DC／DC转换。使用PADS软件Logic 和Layout分别设计原理图和PCB板，搭建硬件电路平台。

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