浅谈不同视频采集处理系统的选择

【摘 要】 视频采集处理系统作为视频器最重要的前提，前端的图像采集速度及质量和图像处理系统后端的算法处理及应用直接影响到视频器的实用性。本文提出四种不同的视频采集处理系统并对不同视频采集处理系统的优劣和实用性进行分析。

【关键词】 视频采集 处理系统 实用性

1 引言

随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界对于不同种类设计的选择。本文就常见的几种视频采集处理系统的设计方案及优劣进行简单的分析。通常应用于课题设计的方案主要有以下几种：基于FPGA和DSP的视频采集处理系统、基于ARM的视频采集处理系统、基于SOC的视频采集处理系统、基于FPGA和SDRAM的视频采集处理系统等。

2 设计方案

2.1 基于FPGA和DSP的视频采集处理系统

系统由视频信号转换模块、视频数据计算模块和通信模块组成。视频信号转换模块主要由A/D转换芯片来完成，实现视频信号由模拟信号向数字信号的转换、图像信号与其他信号的分离、视频信号的格式转换等，最终提供可以处理的数字视频数据。视频数据计算模块由DSP来完成。通信模块实现与外界的数据交换。DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，DSP一般具有如下主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

（3）片内具有快速RAM，可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

（5）硬件I/O支持和快速中断处理；

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

（7）多个操作可以并行执行；

（8）流水线操作方式可以使取指、译码和执行等操作重叠执行。

2.2 基于ARM的视频采集处理系统

系统中FPGA主要对外部SDRAM、FLASH等外部设备进行控制，主要负责数据的采集、存储等功能。数据处理、显示由ARM系统来实现。采用RISC（精简指令集）架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位、16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；

（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；

（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；

（6）指令长度固定。

2.3 基于SOC的视频采集处理系统

SOC主要理念是软硬件协同处理信息，充分发挥硬件实时处理和软件功能灵活的优势。SOC是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。它采用IP Core进行设计，核心思想就是要把整个数字信号处理系统全部集成到一个芯片中。

2.4 基于FPGA和SDRAM的视频采集处理系统

FPGA具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，还具有高可靠性、高速、开发周期短、使用灵活、质量稳定等优点。FPGA的本质是可编程逻辑门阵列。整个系系统都是rilog代码来实现各种需要的操作，最终以纯硬件算法来实现视频的叠加处理和显示。系统数据源可以由摄像头拍摄也可以由微机提供，还设计了一个FLASH芯片，就是用来存储固定的图像字符用的。

3 方案选择

基于FPGA和DSP的视频采集处理系统优点包括设计比较灵活，能对图像进行比较复杂的处理，而且运算的速度比较快；缺点是制作系统成本比较高，电路的设计复杂，适用于对灵敏度要求较高的系统。

基于ARM的视频采集处理系统优点有：ARM系统上带有操作系统，减少了开发周期，外部接口丰富，便于数据的采集和控制。缺点如下：系统中的FPGA芯片主要负责对外部SDRAM、FLASH等外部芯片的控制，主要负责数据的采集、存储等功能，而数据的处理，显示等交给ARM来实现，导致系统结构复杂，通信量大，整体性能差。

基于SOC的视频采集处理系统优点：SOC技术已完全不同于传统的系统设计理念，它能够用硬件描述语言抽象的描述系统，具有高智能的集成开发环境以及大容量的存储器件。基于SOC开发平台是SOC技术的发展趋势，这种设计是可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI噪声、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速发展。缺点：SOC芯片的规模很大，由于深亚微米工艺带来的设计困难等，使得SOC的设计相当复杂。在SOC设计中，最复杂、最耗时的环节是仿真与验证，约占整个芯片开发周期的50%’--’80%，采用先进的设计与仿真验证方法成为SOC设计成功的关键。

基于FPGA和SDRAM的视频采集处理系统设计比较灵活，产品体积小，能对图像进行比较复杂的处理。由于FPGA的高速高精度、运算能力极强、并行运算能力还有其在数字领域“无所不能”的地位，在未开发领域，以及处理器无法实现的研究中，用FPGA来实现高速算法，实现用CPU无法实现的指标。尤其适用于旨在研究高速图像显示控制器，以及存储系统，涉及到的画面重叠、半透明、OSD的硬件实现算法的研究。由于其扫描速度快，精度高，用FPGA设计显示控制器，不仅在设计上能够突破瓶颈，极大地降低成本，而且使得视频显示系统更加灵活，便于优化升级。另外系统的FPGA设计以其可靠性、先进性、高效性、体积小、灵活性强等特点，逐步成为设计者的首选。随着对视频叠加要求的提高，很多领域要求在视频图像上叠加各种复杂的图形并且要求精度高和可靠性好，以往的单片机控制的视频叠加系统已经逐步不能满足要求，而FPGA设计的图像处理系统可以高效的完成任务。

参考文献：

[1]MSonka，V.Hlavac，R.Boyle.图像处理分析与机器视觉第二版[M].北京：人民邮电出版社，2003：1.5-112.

[2]吴厚航.爱上FPGA开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：46-51.