1引言
隨著寬帶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的普及和進(jìn)一步發(fā)展、人們對(duì)視頻通信、視頻播放等數(shù)字媒體服務(wù)的要求越來(lái)越多，而網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控就是在這樣的市場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)整合了FPGA數(shù)字視頻信號(hào)處理技術(shù)、CDNA網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論您身在何處、任何時(shí)間，都可以迅速接入系統(tǒng)，隨時(shí)隨地的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以和其他的有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)兼容，便于用戶在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的使用。
2系統(tǒng)整體構(gòu)成
系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)整體框圖
本文實(shí)現(xiàn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩部分：第一部分，利用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)視頻采集，視頻VGA顯示，視頻壓縮，視頻緩沖存儲(chǔ)。第二部分，在FPGA中嵌入NiosⅡ軟核，通過(guò)NiosⅡ軟核控制，將緩沖區(qū)的壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)CDMA無(wú)線模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器。
系統(tǒng)整體框圖各部分功能如下：
視頻采集部分；將攝像頭采集進(jìn)來(lái)的模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，并獲取相應(yīng)視頻控制信號(hào)。視頻格式轉(zhuǎn)換部分；將采集模塊輸出的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需要的視頻格式。視頻緩存部分；將視頻數(shù)據(jù)暫存在FIFO中，然后由FIFO轉(zhuǎn)存在SDRAM中。CDMA模塊部分；將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)CDMA傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器。VGA視頻顯示部分；將攝像頭采集進(jìn)來(lái)的視頻通過(guò)VGA接口，在本地顯示器顯示。NiosⅡ控制部分；當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí)，NiosⅡ控制系統(tǒng)控制視頻壓縮、視頻緩存和CDMA模塊三部分協(xié)調(diào)工作，將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)由CDMA傳輸給遠(yuǎn)端服務(wù)器。遠(yuǎn)端服務(wù)器將CDMA傳送回來(lái)的圖像數(shù)據(jù)在上位機(jī)上解壓以圖片方式顯示，并記錄事件發(fā)生時(shí)間。
用戶端將CDMA傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)由提供的解碼記錄軟件，在PC機(jī)顯示，并記錄事件發(fā)生時(shí)間。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下模塊：圖像采集模塊，圖像處理模塊，VGA顯示模塊，CDMA無(wú)線傳輸模塊，遠(yuǎn)端服務(wù)器。
3.1圖像采集模塊
采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的前端，采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別效果，同時(shí)采集的速度也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)速度的瓶頸所在。
本設(shè)計(jì)中采用了ADV7181來(lái)完成視頻處理。ADV7181對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣解碼后，得到與CCIR656標(biāo)準(zhǔn)兼容的YCrCb4:2:2格式的輸出編碼。要對(duì)YCrCb4:2:2格式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。
彩色CCD攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)ADV7181芯片的解碼得到數(shù)字視頻信號(hào)。ADV7181芯片通I2C總線控制，I2C控制模塊是由自定義外設(shè)實(shí)現(xiàn)的，SOPC提供的IP核只需對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配置便可加入到該系統(tǒng)中。圖像采集模塊如圖2所示。
圖2圖像采集模塊
2C20通過(guò)I2C來(lái)控制ADV7181B對(duì)視頻信號(hào)的采樣。ADV7181B芯片產(chǎn)生的數(shù)字視頻信號(hào)、控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)送入控制芯片F(xiàn)PGA中，即把場(chǎng)同步信號(hào)VREF、行同步信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)RTS0、片選信號(hào)CE、垂直同步信號(hào)VS、象素時(shí)鐘信號(hào)LLC2以及數(shù)字視頻信號(hào)VPO等管腳連接到FPGA芯片，以獲知各種采集信息。
由于攝像頭輸出模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)視頻A/D轉(zhuǎn)化后，把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻信號(hào)，輸入進(jìn)FPGA芯片，F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)信號(hào)SRTS0把奇偶場(chǎng)圖像信號(hào)分別存儲(chǔ)在SDRAM（ODD）和SDRAM（EVEN）中。
3.2圖像處理模塊
由圖3可以清楚的看出圖像處理過(guò)程，攝像頭采集信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入ITUR656解碼器（Decoder），經(jīng)解碼后分出的Y、Cr、Cb三種基色信號(hào)數(shù)據(jù)線，這三種基色信號(hào)、控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入緩沖器（Buffer）后共同作用輸出Y[7：0]、Cr[7:0]、Cb[7:0]三種基色信號(hào)線給RGB模塊，通過(guò)對(duì)三種基色的混合調(diào)制便可得到彩色的圖像畫面。
圖像傳輸過(guò)程中需要對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮。由于通常無(wú)損壓縮的壓縮比不高，所以在很多情況下，經(jīng)過(guò)無(wú)損壓縮后的數(shù)據(jù)量仍將超過(guò)實(shí)際應(yīng)用所能忍受的負(fù)荷。所以實(shí)現(xiàn)有較高壓縮比的高保真的有損圖像壓縮就很重要。
圖3圖像處理模塊
本算法的編碼器包括3個(gè)步驟：第1步是對(duì)原始圖像進(jìn)行向量變換，第2步是動(dòng)態(tài)位分配的向量量化VQ(VectorQuantization)編碼，第3步是進(jìn)行一種熵編碼。相應(yīng)的解碼器也包括3個(gè)步驟：解碼器由編碼器的3個(gè)步驟的逆過(guò)程按逆序組成。圖4所示為算法編碼器和解碼器的框架圖。
圖4編碼器和解碼器的框架
圖像處理部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要對(duì)外圍的器件進(jìn)行集中控制和處理。FPGA/CPLD對(duì)圖像信號(hào)的采集、控制、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到SRAM以及從SRAM讀取數(shù)據(jù)都在這里實(shí)現(xiàn)。選用CycloneIIEP2C20F484C7芯片，利用VerilogHDL作為硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)各小模塊的連接控制。
3.3VGA顯示模塊
如圖5VGA顯示模塊所示，從攝像頭過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻解碼后到視頻處理芯片，視頻處理芯片輸出三路的R、G、B數(shù)字信號(hào)到視頻DAC，然后輸出三路的模擬R、G、B信號(hào)到顯示屏顯示。.這其中，視頻DAC的速度直接決定了輸出圖像的分辨率和刷新率，而其精度則決定了輸出圖像的質(zhì)量。DAC的速度和分辨率的關(guān)系可以通過(guò)下面的關(guān)系式得到：
時(shí)鐘頻率=點(diǎn)速率=(水平分辨率)×(垂直分辨率)×(刷新率)/(回掃系數(shù))；
水平分辨率=行的像素?cái)?shù)目；
垂直分辨率=幀的像素?cái)?shù)目。
