基于FPGA和DSP的机载高清视频图像系统

引言

无人机广泛应用于军事侦察以及民用测绘等领域，其中的机载视频图像系统是机载电子系统中的重要环节之一。无人机在高空飞行中对地面景物摄像，所得图像帧内目标像素小且目标数量大，这要求增大图像分辨率以提高目标物体的辨识度。此时数据量随之显着增加，与有限的无线带宽资源成为矛盾，故要求应用高效的视频编解码技术。在侦察等特殊应用领域要求视频传输的实时性，此时需要保证实时的视频编解码以及较小的图像延迟。在需多路视频传输且总数据率固定的情况下，可通过降低单路视频分辨率或提高单路压缩比来实现，故系统应可动态切换分辨率和压缩比，具备较大的灵活性。无人机与地面的通信中，除了要回传视频数据以外，还要向地面传输飞行器本身的下行遥测数据，若采用两个独立信道会导致传输效率较低，此时设计一个包括传统遥测数据和视频数据的广义遥测系统成为必需。

本文设计并实现了一种基于FPGA和DSP的机载高清视频图像系统，包括机载设备端和地面站端两部分，最高支持分辨率为1 280× 720，每秒25帧的MPEG-4实时视频编解码，码速率在5 Mbps以下。并可通过上行遥控指令动态切换图像分辨率和视频码率，同时实现了视频数据与遥测数据的组帧传输。

本文首先对机载视频图像遥测系统进行概述，提出了系统的总体实现结构。然后具体给出系统的设计，分为硬件平台和程序算法两部分。硬件平台设计包括机载端视频采集、FPGA和DSP处理器和地面端CPCI总线接口的设计，程序算法设计包括视频编解码算法、机载端DSP程序和地面端上位机软件的设计。文章最后给出了系统挂飞实验的结果并作以总结。

1 系统概述

机载视频图像系统主要由机载设备端和地面站端两部分组成，系统总体结构图如图1所示。

1)机载设备端

视频AD将影像传感器输出的高清视频模拟信号进行模数转换传递给FPGA，FPGA将预处理后的原始数字视频数据传递给DSP进行实时视频编码，DSP完成视频编码后将压缩码流回传给FPGA，在FPGA 中，压缩视频码流与下行遥测数据组帧后进入调制部分;同时上行遥控指令进入FPGA，对图像分辨率、视频码率进行控制。

2)地面站端

解调后的数据进入FPGA，FPGA将视频数据与遥测数据分离，其中遥测数据进入后续的分析处理，视频数据经PCI9054，通过CPCI接口上传给上位机，上位机完成对视频压缩码流的实时解码播放以及存储回放。

2 系统设计

2.1 硬件平台

2.1.1 机载端视频采集

高清模拟视频信号为保证信号质量，常采用分量输出格式，如亮度信号(Y)和色差信号(Cr、Cb)三分量输出，同时场同步和行同步信号可采取叠加在分量信号上的内同步方式输出。本系统中高清视频信号采用720 P(1 280×720)格式，25帧/秒，选用TI公司的视频ADC芯片TVP70025I完成该高清模拟视频的模数转换，采样精度及方式选取为8位，4：2：2(Y：Cb：Cr)采样。TVP70025I与外部器件连接关系如图2所示。TVP7OO25I输出数字化视频分量(Y、Cb和Cr)、数据时钟(DATACLK)、场同步(VS0UT)和行同步(HSOUT)信号给FPGA，DSP通过I C总线对TVP70025I内部寄存器进行初始化设置，并启动模数转换过程。

2.1.2 机载端DSP+FPGA处理器

机载端处理部分主要完成数字视频信号获取、视频压缩编码和遥控遥测接口功能，考虑到DSP强大的数字信号处理能力和FPGA 的大规模逻辑设计能力，系统采用FPGA+DSP的硬件架构。

FPGA 选用Altera 公司StratixII 系列芯片EP2S30F672C5，该芯片有丰富的逻辑资源和嵌人式存储器，支持LVTTL、LVDS等接口电平标准。主要功能设计如图3所示。

包括以下3个方面：

1)数字视频获取

FPGA通过TVP70025I输出的场同步和行同步信号判断一场和一行视频的起始，接收原始视频数据(Y/Cb/Cr)并存人FPGA 内部开辟的FIFO之中，考虑到数据传输的高效性，需缓存若干行图像并一次性传递至DSP，由于FPGA内部存储器有限，故外挂SRAM 作为数据缓冲。

2)DSP与FPGA间数据传输

DSP与FPGA之间通过DSP的EMIFA 接口连接，FPGA内开辟FIFO 或者寄存器，DSP通过EMIFA读写FIFO或寄存器内的数据实现数据传输。本系统中分别开辟原始视频FIFO(Y/Cb/Cr 3个)、压缩视频FIFO和遥控指令寄存器，对应于DSP中的5个地址空间，以地址线的最高3位进行区分。考虑到最大数据吞吐率为原始视频的传递，EMIFA 数据宽度设为32位，数据时钟选取4O M Hz。

3)遥控及遥测

本系统中可接受地面测控站传递的上行遥控指令，通过改变采样方式，对视频分辨率进行切换，包括QCIF(176×144)、CIF(352×288)、标清(720×576)和高清(1 280×720)4种模式。同时可根据遥控指令改变编码算法中的参数，进而实现视频数据的码率控制，分为最高至最低5个码率等级。