基于FPGA的视频监控终端的设计与实现

论文摘要

视频监控终端是多媒体领域的重要设备之一。随着图像处理技术和微处理器技术的快速发展,视频监控终端正逐渐走向高度集成化、设备小型化、应用多样化及组网灵活化。基于DSP处理器的视频解决方案虽然具有高性能,但是处理器更新速度快导致设备生命周期短、升级成本较高。然而基于FPGA的全新DSP设计流程和软核处理器系统却能够很好地弥补以上缺点,符合视频监控的发展要求。本论文正是基于这个思路背景,对基于FPGA平台的视频监控终端设备进行了设计与实现。实现的主要功能包括视频压缩编码、音频压缩编码、双向报警控制、串行监控单元、以太网传输等。本文主要工作概况如下:（1）视频处理模块是系统研究设计中的最核心部分,主要包含:视频采集、预处理、显示、压缩编码。其中压缩编码的原理采用H.264标准,利用MATLAB、DSP Builder、Quartus II等软件的联合开发方式,在FPGA上实现了对视频的帧内预测、整数变换和量化。本文首先提出各模块的设计方案,然后简要介绍所涉及的图像和视频处理技术,进而详细地描述各部分的设计思路与实现流程。（2）基于Nios II软核处理器系统进行了软件开发,主要在μC/OS-II操作系统上移植LwIP协议栈,实现了10/100M自适应以太网传输功能。并开发了数据调配、系统管理等应用程序。该部分内容包括软核特点的介绍,应用SOPC Builder搭建基础的硬件平台,最后描述以太网络传输程序的开发过程。（3）设计实现了基于ADPCM算法的音频压缩编码、RS232/RS485串行通信、16路双向开关量报警控制;并将后两个运算量小的模块集成进Nios II软核处理器系统,音频和视频处理模块则独立并行运行,使系统的处理效率得到很大的提升。（4）在实现软硬件集成后,本文提出了详细的系统测试方案,并依次对各个模块进行了测试。通过对测试结果分析表明:系统在100MHz时钟下工作正常,性能与达芬奇处理器相当,而成本更低且具有灵活配置特性,基本满足数字视频监控终端对高集成度和低升级成本的发展要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题的意义
• 1.2 国内外的发展状况
• 1.3 本课题的思路及关键技术
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 视频监控终端的系统架构
• 2.1 系统架构
• 2.2 设计实现方案
• 2.3 设计特点
• 第三章 视频核心处理模块的实现
• 3.1 视频采集模块
• 3.1.1 视频采集模块实现方案
• 3.1.2 BT.656 简介
• 3.1.3 视频采集模块实现步骤
• 3.2 视频预处理模块
• 3.2.1 视频预处理模块实现方案
• 3.2.2 预处理主要技术
• 3.2.3 视频预处理模块的实现步骤
• 3.3 视频本地显示模块
• 3.4 视频压缩编码模块
• 3.4.1 视频压缩编码实现方案
• 3.4.2 H.264 简介
• 3.4.3 视频编码器模块的实现步骤
• 3.4.3.1 帧内预测的实现
• 3.4.3.2 整数变换与逆变换的实现
• 3.4.3.3 量化与反量化的实现
• 第四章 音频与报警控制模块的实现
• 4.1 音频通道模块
• 4.2 双向报警控制模块
• 4.3 串行通信模块
• 第五章 网络传输模块的实现
• 5.1 网络传输模块的实现方案
• 5.2 开发工具的介绍
• 5.2.1 Nios II 软核处理器
• 5.2.2 SOPC Builder 开发工具
• 5.3 SOPC 系统的搭建过程
• 5.4 网络传输软件设计流程
• 5.4.1 底层软件平台的建立
• 5.4.2 LwIP 协议栈的移植
• 5.4.2.1 处理器和编译器部分的移植
• 5.4.2.2 改写操作系统有关部分的函数
• 5.4.2.3 网络控制器的驱动编写
• 5.4.3 创建测试传输任务
• 5.4.4 建立应用软件
• 第六章 系统测试
• 6.1 测试方案
• 6.2 显示功能测试
• 6.3 音频功能测试
• 6.4 串口监控功能测试
• 6.5 局域网传输功能测试
• 6.6 双向报警控制功能测试
• 6.7 系统综合报告
• 第七章 总论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果