1、第 1 页 共 48 页摘 要视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，随着人们对安全的日益重视，使得以视频信息为特征的视频监控越来越广泛地被应用到各个领域。本文系统学习了视频监控系统的基本原理，对设计中涉及到的问题查阅了大量的资料。图像传感器技术都可以将光转换为电信号，但它们在转换机理方面存在差异。嵌入式CCD视频图像采集系统具有体积小、灵活性高、可以实时有效地采集图像等特点，利用CCD采集高分辨率、高质量的图像是实际工程应用的需要。FPGA技术正在成为电子系统设计的研究热点，尤其是在视频图像采集技术领域得到了越来越广泛的应用。本文重点阐述了嵌入式视频采集系统的硬、软件设计环节以及开发中的一
2、些关键技术问题。系统采用Xilinx公司的Virtex-4芯片作为核心器件，主要从软件和硬件两个方面进行了设计：在软件设计上，利用了EDK开发系统平台，通过FPGA 编程IIC总线的方式，实现了对视频解码芯片TVP5150和视频编码芯片SAA7121的配置，从而得到硬件处理所需的数据流和同步信号；在硬件设计上，以ISE为设计平台，设计了TVP5150 模块、SAA7121 模块等，该系统在XC4VSX25 控制下能实时将视频像进行采集、编码和传输。 关键词：视频图像采集；CCD图像传感器；嵌入式系统；FPGA第 2 页 共 48 页Abstract Video Surveillance Sys
3、tem is all important component of the security systemIt is a comprehensive integrated system with strong prevent abilityIn the modem society,the importance of safety,make the video surveillance which has the features of video information more and more widely applied to various fields. This systemati
4、c study of the basic principles of video surveillance systems, the design issues involved in access to a lot of information.Image sensor technology can be converted to electrical signal light, but there are differences in the conversion mechanism.This embedded CCD Video acquisition system can collec
5、t real-time images in characteristic of small size and high flexibility. Sometimes, it is necessary to acquire high resolution and quality images with CCD for engineering embedded equipments. As a major direction of image processing technology, the image enhancement has played an important role in t
6、he elimination of noise, improving image quality and feature extraction areas. With the rapid development of semiconductor process technology, integration level of field programmable logic device FPGA increases rapidly, and has reached million level. At the same time, FPGA has overcomed the disadvan
7、tage that image is processed slowly by software, and FPGA has the distinguishing feature including rich in logic resources, design low-cost, system flexibility, high-speed parallel, reconfigurable strongly. FPGA technology is becoming an research focus in electronic system design, especially it has
8、been more and more widely used in the field of image processing technology.The paper introduces the design of embedded video capture hardware and software system and some key technology questions. This system has used Virtex-4 chip of Xilinx as the core device, and designs mainly from two aspects of
9、 software and hardware: In software design, the paper has builded a platform EDK development system, and has realized the configuration to video decoding chip TVP5150 and video encoding chip SAA7121 through FPGA programming IIC the bus, thus has obtained the data stream and synchronization signal th
10、at is needed by hardware processing. In the hardware design, the paper has designed TVP5150 module, SAA7121 module，ncode 第 3 页 共 48 页and transmit the video picture real-time under the XC4VSX25s controlling.Keywords: Video capture; CCD image sensors; Embedded operating system; FPGA1 绪 论1.1 课题研究背景和意义当
11、今视频监控系统的应用领域越来越广泛，从安防到智能家居系统乃至太空探索都应用到了视频监控系统，视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。中国的产业是从20世纪80年代开始起步的，比西方经济发达国家大约晚20年。改革开放以前，由于经济发展的限制，中国的安防主要以人防为主，安全技术防范还只是一个概念，技术防范产业几乎还是空白。20世纪80年代初，安防作为一个行业在上海、北京、广州等经济发达城市和地区悄然兴起，尤其是处在改革开放前沿的深圳，依托本地先进的电子科技优势和得天独厚的地理位置，逐渐发展成为全国安防产业的重要基地。进入21世纪，安全技术防范产品行业又有了进一步的发展，智能建筑、
12、智能小区建设异军突起，以及高科技电子产品、全数字网络产品的大量涌现，都极大促进了安防产业市场蓬勃发展。中国正在发展成为世界上最庞大的安全防范产品市场，安防行业成为国民经济新的增长点和新兴的朝阳产业。视频监控系统是安全防范系统重要的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。在安防系统的快速发展的推动下，视频监控系统作为安防系统的“第一视觉”也从最初的起步到如今的迅速发展，经历了三个不同时期的发展阶段：在2000年以前，视频采集主要是以模拟设备为主，含摄像机和磁带录像机的全模拟电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。这一阶段监控系统中基本不使用视频监控软件。2000年以后到现在，随着计算预处理能力的
13、提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和压缩处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量，由于传输依旧采用传统的第 4 页 共 48 页模拟视频电缆，所以叫做第二代半模拟半数字本地视频监控系统。从2004年开始，随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字他的网络时代，由子它从摄像机或网络视频服务器下来就直接进入网络，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为基础，依靠强大的平台软件实施管理，所以称之为第三代全网络视频监控管理系统。随着市场需求的不断变化、网络技术的飞速
14、发展和人们的安全意识逐步提高，城市乃至全国这样的大型监控联网应用需求越来越多，目前国内正在兴起一股应用全网络监控系统的热潮，尤其是在学校，机场等大型市政项目，城市的综合治安管理平台等等。所以大力推广和应用专业监控硬软件是目前监控终端生产商的首要任务。无论是远程还是本地的大中型监控系统都需要一套完全整合的解决方案，但是传统的模拟方式和免费的本地监控软件都不能很好的解决大中型监控系统的问题，如机场监控、银行监控、大型小区、智能大楼、学校，还有一些诸如边防，基站监控等远程应用。1.2 国内外研究现状和发展趋势在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非
15、常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统因解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。研究低功耗、低成本、便携式的嵌入式数字视频监控系统成为当今技术开发的重点。目前国外视频监控系统的重点正在向家庭综合通信、娱乐及综合信息服务、家庭安防、智能家居及远程控制是家庭信息化产品这四个方向发展，家庭视频监控则是家庭安防的核心产品。英国电信将数字家庭网关称作HomeHub，通过该网
16、关为用户提供信息、通信、娱乐的综合服务，强调易用性，也就是即插即用和丰富的连接，还强调完整性，第 5 页 共 48 页通过多样化的家庭终端提供多样化的服务，支持各种智能监控设备的数据接口和物理接口，在视频监控上更侧重于网络摄像机的方案。日本的NTTdocomo利用自身在移动服务上的优势，推出了i-mode 运营模式，可以直接 通过手机或PDA远程控制家中的智能家电，在远程监控上采用了“M2M远程控制 ”的理念，实现人和机器、机器和机器之间的远程控制。NTT推出了可通过因特网或FOMA手机控制的HC-1000监视摄像头，该设备采用 300万像素CMOS感光器，2倍数码变焦，以太网接口，支持802
17、.11a/b/g，可拍摄QVGA画质的视频；内建“主动防御”系统，可发出刺耳的警报声吓跑盗贼，甚至还有麦克风/ 扬声器双向通信系统，方便用户与盗贼谈判。 NTT- Neomeit还推出了通过PDA或手机远程控制家电和接收监控报警信息的服务，使用起来非常方便。除此以外，还实现了生物认证，通过生物认证研发了自动门识别系统，人们站在安装于入口处的摄像机前，只需约秒钟的时间，如果确认来人为公寓居民，大门就会打开，非常方便。反观国内市场，虽然现在国内视频监控设施的发展十分迅速，但由于中国视频监控系统的相关法律法规尚待完善，视频监控的使用大部分还处在机场、学校、工厂等大型公共设施阶段。中国视频监控市场在快
18、速发展的过程中，也面临相应的挑战：（1）仍然缺乏统一的具有强制约束力的国家标准。近年来，由于视频监控系统故障而导致的相关事故频频发生。中国视频监控系统的相关法律法规尚待完善。虽然政府支持出台了TCl00等国家标准，但目前中国市场仍存在国家标准与区域标准并存、不同的厂商联盟标准并存等现象，并且缺乏有效的项目监管和检测机制。（2）行业用户具体需求与项目实施之间存在一定的难度。视频监控系统将进一步深入行业应用的具体需求。然而，在用户对于视频监控系统期望不断提升的同时，项目实施以及成本控制方面仍然存在一定的问题。以图像采集为例，用户若采用高清信号，相关视频、网络以及存储设备的直接成本提升是可以直观计算
19、出的。然而，对应特殊行业用户的需求，如金融核心监控点的人像识别、身高测量，环保监控点的指标测量等，则难以通过直观方式来计算成本并且实施难度较大。第 6 页 共 48 页有挑战必然有机遇，相信随着电信网络的3G实现、国家公安部的 “平安城市”计划的实施、宽带网络的提速、视频监控行业规范的出台，中国的视频监控行业会逐步进入数字化、规范化、合理化的发展平台。随着电子产品的集成度不断提高，工艺水平的提升，产品的成本和功耗将会逐渐下降，将使得视频监控系统应用更为广泛。1.3 本论文的研究内容本课题以低成本而又能获取较丰富的视频图像数据为目的，对目前主流的几种视频图像采集方案进行了学习了解，设计了基于FP
20、GA的嵌入式CCD图像采集系统的视频图像采集方案。通过比较目前流行的两种图像传感器结构上的优缺点，采用了CCD传感器作为整个系统的前端进行设计。深入的学习了嵌入式视频采集硬件平台的搭建，然后具体分析该结构中部分硬件的具体实现。重点在视频图像采集模块设计，包括了硬件方面如TVP5150和FPGA的硬件接口设计，软件方面如利用C语言对TVP5150、SAA7121 进行配置等。在设计过程中保证整个系统的低功耗、低成本、具有一定的扩展性。1.4 论文结构综合全文，章节安排如下：第一章 绪论。主要介绍视频监控系统的国内外发展形势，提出课题研究背景、意义和主要内容。第二章 视频采集监控系统。介绍了目前基
21、于典型的图像传感器而构建的视频采集系统的硬件，通过分析对比，重点介绍CCD的工作原理。第三章 阐述视频系统的相关知识，对有效数据格式进行了查阅说明。第四章 介绍了Xilinx公司Virtex-4系列，型号XC4VSX25 FPGA芯片及其开发工具EDK 和ISE ，并根据需要添加两位的GPIO核，来完成对I 2C总线的构建。主要进行了资料查阅、软件设计学习等方面的工作，对整体系统的设计提供了基础。第五章 论述视频系统的总体设计，对CCD摄像机的型号和参数进行了说明；第 7 页 共 48 页分别对视频解码芯片TVP5150、编码芯片SAA7121进行了介绍，进一步对视频解码芯片和视频编码芯片的配
22、置说明；硬件部分完成视频解码芯片TVP5150 和FPGA接口设计，软件部分完成了TVP5150和SAA7121的软件设计，并进行了系统仿真。最后全文的总结及展望。分析是否有优化的余地，以及对下一步工作的展望。第 8 页 共 48 页2 视频图像传感器2.1 CCD 图像传感器CCD 是电荷耦合元件 ，英文全称是 Charge-coupled Device。CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD 上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块 CCD 上包含的 像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。 CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD
23、上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD 广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如 Lucky imaging。CCD 在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是面阵 CCD，即包括 x、 y 两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性 CCD，它只有 x 一个方向， y 方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。图 2.1 为面阵 CCD 的实物图。图 2.1 面阵 CCD 实物图CCD（Charged Coupled Device）于1969年
24、在贝尔试验室研制成功，后由日、美等国公司开始量产，期间从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD分为线型（ Linear）与面型（Area ）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DC）、摄录影机、监视摄影机等影像第 9 页 共 48 页产品上。对于面型CCD ，根据其工作方式又分为：帧转移型(Frame Transfer)，行间转移型(Interline Transfer) 和行帧转移型(Frame Interline Transfer )三种， 根据其扫描方式又分为全帧(full frame)和隔行(inter line)两种，全帧型多用
25、于专业级, 隔行多用于民用级。CCD图像传感器由三层组成：第一层：微透镜头；第二层：分色镜片；第三层：感光、储存、转移电荷(CCD)层。如图2.2所示：图2.2 CCD图像传感器CCD工作的基本原理： CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD 内作定向传输 , 并输出电信号。图 2.3为行间转移CCD (Interline Transfer) 的工作原理图：第 10 页 共 48 页图2.3 行间转移 CCD(Interline Transfer)的工作原理图CCD的物理结构， CCD有表面（沟道） CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD ）两种基本类型。首先将一块半导体基板通过光刻划分成行列的矩阵状，示意如图2.4所示(48=32个像素单元 )。图2.4 矩阵状半导体基板每个单元为一个像素单元，在每个像素单元里，制作出一个光感区(光感二极管)、电荷储存区、电荷转移区和益流槽、电极等，如图2.5所示。图2.5 一个像素单元的结构示意从上面的示意图(正面图)可以看出，每一个单元对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流槽和
