摘 要： 給出一種使用FPGA和ARM實現4路視頻采集存儲功能的嵌入式系統設計方法，介紹了FPGA控制視頻AD芯片TVP5154對模擬視頻進行數字轉換、多路ITU656格式的視頻數據的抽取方
法、視頻數據的乒乓存儲以及合成后的視頻數據的重組發送。
關鍵詞： 嵌入式系統； TVP5154； 視頻合成； 乒乓存儲
為了滿足家庭和公共安全的需要，監控系統越來越多地出現在日常生活中。采用多個攝像頭進行監控可以有效地監視各個方位，多路視頻合成一路既方便觀察又可以有效地減少數據存儲量。而采用視頻壓縮芯片可以進一步降低視頻數據的存儲量，壓縮后的視頻存儲后可以便于使用PC進行查詢。
1 系統組成及工作原理
視頻AD芯片TVP5154將PAL制式模擬視頻轉換成ITU656格式[1]的數字視頻， FPGA對ITU656格式的碼流進行采集抽取并將4路視頻合成1路，合成后的視頻分成兩路：一路由視頻DA芯片SAA7121進行D/A轉換，發送到LCD顯示器上進行視頻實時顯示；另一路進入ARM9模塊，由音視頻編解碼芯片VW2010進行視頻壓縮，將ITU656碼流壓縮成MPEG-4格式，建立文件系統進行視頻存儲。圖1為系統的硬件結構圖。
考慮系統功耗、體積、成本和資源等因素，采用Xilinx公司Spartan 3E系列中的XC3S1200E芯片。TVP5154芯片[2]支持4通道 NTSC/PAL/SECAM制式的模擬視頻轉換成4通道的8位ITU-RBT.656格式的數字視頻。本文介紹FPGA抽取4路ITU656格式視頻數據，利用乒乓緩存將其有效數據合成1路[3]，并重新組成ITU656碼流進行發送。
2 功能實現
2.1 ITU656碼流的抽取
ITU656標準的數字視頻1 s有25幀(50場)圖像，每幀圖像分為偶場和奇場。每幀圖像有625行，864列。行數據分為有效行(576行)和消隱行(49行)兩種。有效行分為偶場有效行(288行)和奇場有效行(288行)。圖2是一幀圖像數據，圖中表明了偶場有效行、奇場有效行和消隱行。
系統中使用4路攝像頭，合成1路時每路視頻只保留原來視頻數據的1/4。依據ITU656標準的特點，每幀數據舍棄一場。
TVP5154的輸出[4]有兩種輸出方式，一種是將基準信號(EAV和SAV)作為嵌入式控制字嵌入到視頻碼流中，并有1路時鐘信號CLK輸出，頻率為27 MHz；另一種由芯片的獨立引腳輸出，有3路同步信號FID/GLCO、HSYNC、VSYNC/PALI，分別配置為場、水平、豎直同步信號，并有1路時鐘信號CLK輸出，頻率為27 MHz。
系統中采用的是從數據端口接收內含嵌入式基準信號(即EAV和SAV)的ITU656標準視頻數據。EAV與SAV的詳細定義如表1所示。
通過檢測基準信號，可以區別當前行屬于奇場(Odd)還是偶場(Even)，是消隱行(Blank)還是有效行(Active)。依據ITU656標準，消隱行數據除了基準信號，其余均用0X8010進行填充即可。
圖3是有效行數據構成。每行有1 728 B，其中720個像素點占用了1 440 B，為有效數據(Valid data)。另有280 B為行消隱數據(blanking,用0X8010進行填充)，剩下8 B是基準信號,分為有效數據結束的基準信號(EAV)4 B和有效數據開始的基準信號(SAV)4 B。所要抽取的就是ITU656碼流的有效行的有效數據。
ITU656標準中像素采用YUV422格式表示。每個像素點都采集亮度信息，但是色差信息則隔一個像素點采集一種。這樣兩個相鄰像素點共有兩個亮度信息、兩個色差信息，按照每個信息8 bit計算，則兩個像素點共4 B，平均每個像素點2 B。ITU656格式中有效行中有效數據排列順序如圖4所示。
因為相鄰的兩個像素點共用一組色差信息，所以每個場有效行的有效數據區域采用每隔兩個像素點抽取2個像素點的策略。通過每幀只留一場和每個有效行只取一半像素，每路視頻實際得到的是其1/4的數據，將4路視頻按一定規則存儲到SRAM中就得到了一幀完整YUV422格式的圖像。
2.2 4路視頻合成
ITU656標準的一幀圖像分為625×864，其中有效像素為576×720，每個像素點為2 B，每行有720個像素點，即1 440 B。不經過壓縮的每幅圖像為810 KB。
系統中選取兩塊的容量為2 M×8 B的SRAM芯片CY7C1069AV33，它有21根地址線，其中行地址線10根，列地址線11根。一列可以存儲2 048 B。
以ITU656標準中一幀圖像的頂場(即F同步信號為0)為偶場。4路視頻中1、2兩路只采集偶場數據，3、4兩路只采集奇場數據，FPGA通過檢測ITU656碼流的基準信號來判斷當前處于哪一場。ITU656標準所用的時鐘為27 MHz，1 s有25幀(50場)圖像,每場所用時間為20 ms，每個場有效行的有效數據區域采用每隔兩個像素點抽取2個像素點，1個像素點用2 B數據表示，這樣采樣間隔為4/27 MHz=148 ns。每路每隔148 ns進行一次抽取，得到的4 B存儲到SRAM中， SRAM芯片讀寫周期為12 ns，寫入所用時間為12 ns×4=48 ns，時間上條件滿足。1、2路數據要分開抽取寫入，前一個148 ns抽取第1路視頻數據并寫入到SRAM，后一個148 ns第2路視頻數據被抽取并寫入SRAM中，這樣做是為了合理利用SRAM的地址和數據總線，防止寫入沖突。奇場有效行基準信號被檢測到之后，進行3、4路數據的抽取存儲，依次循環。采用如圖5所示的規則。
在1、2路偶場有效數據抽取完和3、4路奇場有效數據抽取完成后都存在一段時間的空白期。可以在這段時間對SRAM中存入的數據進行處理。系統在這段時間為視頻數據添加時間水印，從ROM中取出子模取代要寫入位置的視頻數據。
依據TVP5154芯片手冊，輸出的4路ITU656碼流使用的是同一個時鐘，4路數據同步輸出。1、2路偶場和3、4路奇場視頻數據完全寫入第1塊SRAM之后，FPGA切換到第2塊SRAM繼續抽取視頻數據并寫入，第1塊SRAM中的數據則準備重組發送。
2.3 有效數據的重組發送
TVP5154發送的ITU656格式碼流的時鐘頻率是27 MHz，合成后的有效數據需要按照ITU656格式發送出去，每40 ms完成一幀圖像的發送[5]。在第1塊SRAM數據寫入完畢、第2塊SRAM開始寫入數據之前的這段時間,第1塊SRAM中的數據需要被讀取并發送出去。
合成后視頻數據的發送可以采用兩種方式，與TVP5154類似，一種以帶基準信號的嵌入式控制字形式，另一種以帶場、水平、豎直同步信號的方式發出。系統中的視頻DA芯片SAA7121、音視頻編解碼芯片VW2010都接收合成后的ITU656格式碼流，其中VW2010只支持帶基準信號的ITU656碼流。所以系統中采用帶基準信號的ITU656碼流發送合成后的視頻數據。
系統中發送模塊以27 MHz的頻率讀取SRAM中的數據。讀取時要隔行讀取，先讀出偶場有效數據，再讀奇場有效數據。依據ITU656標準，讀取SRAM之前先發22行偶場消隱行， 再從SRAM中讀取288行偶場有效數據加上基準信號和消隱數據發送出去，然后再發2行偶場消隱行；接著發出23行奇場消隱行，再從SRAM中讀出288行奇場有效數據加上基準信號和消隱數據發送出去，然后再發2行奇場消隱行。至此完成一幀圖像的發送。重復此過程讀取第二塊SRAM中的數據并發送出去，依次循環。
偶場消隱行、奇場消隱行、偶場有效行基準信號和消隱數據以及奇場有效行基準信號和消隱數據提前存儲在ROM中。
本文介紹了一個使用FPGA和ARM設計的4路視頻采集存儲系統。該系統可以接收4路模擬攝像頭的數據，合成1路后在LCD顯示器上顯示，并可以存儲合成后的視頻，可應用于家庭和公共環境的監控。系統的體積小，功耗低，可便攜地使用。系統外圍諸多外設可用于系統測試和功能拓展。
參考文獻
[1] ITU. Recommendation BT.656-5[EB/OL].(2007-12)[2014-02].http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.656-5-200712-I!!PDF-E.pdf．
[2] 吳厚航．深入淺出玩轉FPGA(第1版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010．
[3] 蔡青青,龔立群,黃益新.基于FPGA的視頻監控系統[J].微型機與應用, 2012,31(4):37-39.
[4] 韓峰，袁安民，趙穎輝．基于FPGA+ARM的多路視頻采集系統設計[J]．火力與指揮控制，2010，35(6)：86-93．
[5] 孫紅亮，唐艷發，梁春鋒，等． 基于FPGA+ARM的高速計算機屏幕信息記錄系統[J]．電子技術應用，2011，37(6)：35-40．