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一种基于FPGA的视频监测模块实现

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陶佳丽丁启凤许强赵希宇姜志鹏

摘要：利用摄像头获取监控现场视频信息，以FPGA为核心处理器，实现了一种视频处理模块。摄像头采用了PMOD CAM-0.3M模块，其传感器为OV7670，硬件开发平台采用了Basys3，片上FPGA采用了Xilinx的Artix7芯片，使用Vivado为开发软件，根据背景差分算法，实现了对现场的实时视频监测。

关键词：FPGA核心处理器; 视频监测

中图分类号：TP23? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? 文章编号：1006-3315（2020）1-000-001

近年来，随着VLSI（Very large Scale Integration超大规模集成电路）技术的飞速发展，已能够在FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片中实现复杂算法，包括各类视频处理算法。本文介绍了一种基于FPGA的视频监测模块的实现方法。

一、硬件设计

本视频监测系统的硬件模块框图如图1所示。

如图中所示，摄像头采用的是PMOD CAM 0.3M摄像头模块，与FPGA接口时，只提供了8位数据线，因此所采集的视频数据应分2次传给FPGA。这种摄像头模块的其核心传感器为OV7670，OV7670的内部如图2所示。

从图2可以看出，OV7670的时序产生模块负责产生所需的控制信号，能够控制图像阵列和帧信号的产生，控制帧率的时序、产生VSYNC、HSYNC和PCLK等外部接口时所需的时序控制信号。模块处理模块实现自动增益控制、自动白平衡等级功能，其产生的RGB三色信号，经过后续的模/数转换模块ADC转换为所需的数字信号，其转换速度最高可达到12MHz[1]。

本次设计中采用了Basys3开发平台，平台上所用的FPGA芯片为XILINX的Artix7系列，如图1所示，其具体型号为XC7A35T-1CPG236C[2]。该芯片拥有33，280个逻辑单元，分布于5200个区域中，每个区域中还提供了6输入查找表和8个触发器，另外还有，800 Kbits的快速RAM，资源比较丰富，能满足一般性的小型系统需求。

二、软件设计

1.SCCB总线初始化

图2中右下角的SCCB接口，全称为Serial Camera Control Bus，属于一种串行摄像头控制接口。OV7670采用了2线式SCCB接口，接口的时钟线和数据线分别是SIO_C和SIO_D，只能接收来自FPGA的数据。对SCCB接口进行配置的仿真结果如图3所示。

2.背景差分算法

为了能够对监测现场进行自动监测，本次设计采用了较简便的背景差分法。所谓背景差分法，是指首先存储一张正常情况下的图像作为背景数据，然后在监测过程中，将摄像得到的画面，与背景数据进行差分运算。如果监测现场没有发生任何显著变化，则摄像所得到的画面与背景进行差分后大部分像素位置参数正常。考虑到实际工程中存在着非入侵情况下的摄像现场画面的细微变化，因此在设计时，设置了门限，当差分值异常的像素位置总数不大于门限时，均认为监测现场属于正常情况。

本次设计进行差分计算的部分代码如下：

always@（posedge clk）

begin

if（rst） outd<=0;

else? ?if （dinA>dinB） odata<=dinA-dinB;

else? ? outd<=dataB-dataA;

end

三、結论

本文以FPGA为核心控制芯片，将摄像头所采集的视频数据与背景图片进行差分计算，根据差分计算的结果判断所监测现场的情况，充分利用了FPGA芯片强大的可编程功能和丰富的内部资源。在其他场合，当所需视频分辨力较高时，可选用分辨率更高的摄像头，并配以更复杂的监测算法，以达到更佳的设计效果。

基金：金陵科技学院2018年大学生创新训练计划项目（201813573095J）;江苏省现代教育技术研究课题（2016-R-48673）

江苏省教育科学“十三五”规划2018年度重点资助课题（B-a/2018/01/39）

参考文献：

[1] Patel D，Parmar R， Desai A， et al.Gesture recognition using FPGA and OV7670 camera[C]// International Conference on Inventive Systems & Control.2017

[2]姜志鹏，陈正宇，史金芬.应用型工科院校“口袋实验室”培养模式探索——以电子信息工程专业为例[J]统计与管理，2015（10）

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