fpga的视频图像变化检测系统软件设计(附件)
随着科学技术的飞速发展，视频处理技术有了极大的进步，以其为基础的视频监控系统的应用也更加广泛。现场可编程门阵列FPGA的迅速发展，使其非常适合高性能低成本的视频和图像应用。FPGA高性能、高集成度、低功耗的特点不仅使其具备高速CPU性能，而且开发灵活，无须改变电路即可完成逻辑结构的修改与配置。本文针对FPGA在视频图像处理上的应用，介绍了基于FPGA的视频图像变化检测系统的设计思想和模块设计方案。首先介绍了FPGA相关技术和视频信号的分类及特点，之后对图像处理常用方法以及图像压缩技术进行了介绍。最后用Verilog HDL语言编写了系统的设计流程。关键词 视频图像处理，FPGA，图像变化检测，VerilogHDL目 录
1 绪论 1
2 FPGA技术及视频图像理论基础 2
2.1 可编程逻辑器件概述 2
2.2 FPGA的设计层次及设计流程 3
2.3 视频信号处理基础 4
3 视频图像检测系统总体设计 9
3.1 OV7725传感器 10
3.2 OV7725 SCCB接口及寄存器 11
3.3 SDRAM 14
3.4 VGA 16
4 视频图像检测软件设计 17
4.1 摄像头驱动 17
4.2 I2C总线读写时序模块 21
4.3 SDRAM控制模块 25
4.4 数字视频采集模块 27
4.5 VGA显示控制 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
1 绪论
如今，科技发展越来越迅猛，人们的安防意识也与日俱增，从而使得视频监控的应用越来越广泛。然而就目前的现实状况而言，用的最多的还是现场监控，也就是通过人的观察获得视频信息，然后据此作出一些相应的决策。但是现场监控的弊端是显然易见的，由于人工的疲劳加之多点监控的工作量比较大，工作乏味，很容易出现不可避免的失误或者错误。这在某些重要的场合是绝不允许的。因此，人工现场监控不仅造成了人力的浪费还会产生不必要的失误。
近10年来，计算机技术的
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而使得视频监控的应用越来越广泛。然而就目前的现实状况而言，用的最多的还是现场监控，也就是通过人的观察获得视频信息，然后据此作出一些相应的决策。但是现场监控的弊端是显然易见的，由于人工的疲劳加之多点监控的工作量比较大，工作乏味，很容易出现不可避免的失误或者错误。这在某些重要的场合是绝不允许的。因此，人工现场监控不仅造成了人力的浪费还会产生不必要的失误。
近10年来，计算机技术的飞速发展，使得利用计算机技术对视频图像进行处理成为了现实，大大加速了视频处理的智能化步伐。智能监控首先要利用摄像设备来获取图像，然后再根据图像信息作出检测，一旦发现目标的运动或者行为异常就会锁定目标并发出报警信号。因此，这就避免了人工监控因为劳动疲劳导致的失误，大大节约了人力并提高了效率和智能化水平。
在目前市场上常用的图像处理系统中，常用作系统的核心器件一般有现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）以及专用集成电路（ASIC）。而FPGA在视频图像处理方面的优势是显而易见的：基于FPGA的算法具有专用集成芯片（ASIC）的运算速度，容易满足高速图像处理的需求；FPGA有强大的并行处理数据的能力，能快速的实现数据量的处理图像算法；FPGA现场可编程，使检测系统随时可以改变，满足不同检测需求；FPGA的编程技术越来越成熟，算法实现相对简单，程序的移植性和再加工性优良；同时还有对外围逻辑的控制简单，提高系统集成度，并可以实现SOPC系统（片上可编程系统）。
因此，利用FPGA来实现视频图像变化检测系统有很大的优越性：FPGA芯片的现场可编程和强大的并行运算能力以及大带宽高精度，可以使其具有较高灵活性和高效性来完成各种各样的图像处理算法；同时也可以使用SOPC系统来实现软硬件交互操作，使系统达到最佳性能。
在20世纪末，应用的最多的还是模拟视频监控。这种监控的缺点也是显然易见，在很多情况下会出现错误报告及报警或者真正需要的报警又漏掉了，系统难以完善，很难应用在情况复杂、监控要求比较高的场合。但是在模拟视频之后出现了数字视频监控系统。该系统与计算机的发展是息息相关的，它具有集成化程度高、数字化优越、智能化以及网络化易于实现等特有的优势。因此，能够应用于当今许多复杂的场合，更好的实现网络化监控，满足人们对于安全监控的要求，是大家研究的重点。
2 FPGA技术及视频图像理论基础
2.1 可编程逻辑器件概述
在电子信息行业中，只要谈到可编程器件，几乎每个人都不可避免的想到现场可编程门阵列。在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上，FPGA作为一种新式高性能产品，又作为ASIC领域中的新式半定制电路发展起来，解决了许多现实的问题。如定制电路的缺陷，原来可编程器件门电路数有限等。日前的FPGA有很多特点：容量大、速度高、灵活等。这些优势可以很好的完成复杂的时序和组合逻辑，在信号处理、数字传输、视频图像处理等领域的应用越来越多。
20世纪90年代是电信行业发展的年代，同时也是集成电路发展的年代。为了解决逻辑黏连，以及集成电路复杂度不断上升等问题，PLD（可编程逻辑器件）应运而生。PLD最先由Altera发明，早期为EEPROM工艺，基于乘积项（Product Term）结构。据说当初最早进入中国市场的是Lattice（莱迪斯），而非Altera或Xilinx。1991年，Lattice革命性地推出了ISP技术即在线可编程技术，从而开创了可编程逻辑器件的市场。通过ISP器件，工程师可以直接对器件进行编程，甚至擦除（不再需要紫外线擦除），从而有效的缩短了产品的上市周期，降低了生产成本。正因为ISP技术的优越性，Lattice率先占领了中国的市场，成为通信企业、研究所等青睐的产品。
不过毕竟Altera是PLD的发明者，同时由于Altera人性化的GUI开发界面，以及灵活强大的功能，吸引了一部分工程师。所以从1996年起，Altera在国内开始逐渐挽回了PLD的市场。随后Altera又推出了MAX7000系列PLD，其在设计与性能上的优势超过了Lattice，从而奠定了Altera在FPGA在中国的地位。
由于当时的PLD的加密性不好，同时不能防止辐射，所以它并不适合用于航天产品，不过Actel与Quicklogic的PLD采用了Antifuse（反熔丝）技术，以烧断熔丝为代价解决了加密的缺陷。这两家的PLD有一个最大的好处就是防辐射，以及支持军用温度，因此主要应用于航天和军事领域。
FPGA采用逻辑单元阵列LCA，内部包含可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB以及内部连线。
对于CLB模块而言，其功能是这样的。首先CLB作为FPGA内部的基本逻辑单元，其数量和特性根据
1 绪论 1
2 FPGA技术及视频图像理论基础 2
2.1 可编程逻辑器件概述 2
2.2 FPGA的设计层次及设计流程 3
2.3 视频信号处理基础 4
3 视频图像检测系统总体设计 9
3.1 OV7725传感器 10
3.2 OV7725 SCCB接口及寄存器 11
3.3 SDRAM 14
3.4 VGA 16
4 视频图像检测软件设计 17
4.1 摄像头驱动 17
4.2 I2C总线读写时序模块 21
4.3 SDRAM控制模块 25
4.4 数字视频采集模块 27
4.5 VGA显示控制 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
1 绪论
如今，科技发展越来越迅猛，人们的安防意识也与日俱增，从而使得视频监控的应用越来越广泛。然而就目前的现实状况而言，用的最多的还是现场监控，也就是通过人的观察获得视频信息，然后据此作出一些相应的决策。但是现场监控的弊端是显然易见的，由于人工的疲劳加之多点监控的工作量比较大，工作乏味，很容易出现不可避免的失误或者错误。这在某些重要的场合是绝不允许的。因此，人工现场监控不仅造成了人力的浪费还会产生不必要的失误。
近10年来，计算机技术的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
而使得视频监控的应用越来越广泛。然而就目前的现实状况而言，用的最多的还是现场监控，也就是通过人的观察获得视频信息，然后据此作出一些相应的决策。但是现场监控的弊端是显然易见的，由于人工的疲劳加之多点监控的工作量比较大，工作乏味，很容易出现不可避免的失误或者错误。这在某些重要的场合是绝不允许的。因此，人工现场监控不仅造成了人力的浪费还会产生不必要的失误。
近10年来，计算机技术的飞速发展，使得利用计算机技术对视频图像进行处理成为了现实，大大加速了视频处理的智能化步伐。智能监控首先要利用摄像设备来获取图像，然后再根据图像信息作出检测，一旦发现目标的运动或者行为异常就会锁定目标并发出报警信号。因此，这就避免了人工监控因为劳动疲劳导致的失误，大大节约了人力并提高了效率和智能化水平。
在目前市场上常用的图像处理系统中，常用作系统的核心器件一般有现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）以及专用集成电路（ASIC）。而FPGA在视频图像处理方面的优势是显而易见的：基于FPGA的算法具有专用集成芯片（ASIC）的运算速度，容易满足高速图像处理的需求；FPGA有强大的并行处理数据的能力，能快速的实现数据量的处理图像算法；FPGA现场可编程，使检测系统随时可以改变，满足不同检测需求；FPGA的编程技术越来越成熟，算法实现相对简单，程序的移植性和再加工性优良；同时还有对外围逻辑的控制简单，提高系统集成度，并可以实现SOPC系统（片上可编程系统）。
因此，利用FPGA来实现视频图像变化检测系统有很大的优越性：FPGA芯片的现场可编程和强大的并行运算能力以及大带宽高精度，可以使其具有较高灵活性和高效性来完成各种各样的图像处理算法；同时也可以使用SOPC系统来实现软硬件交互操作，使系统达到最佳性能。
在20世纪末，应用的最多的还是模拟视频监控。这种监控的缺点也是显然易见，在很多情况下会出现错误报告及报警或者真正需要的报警又漏掉了，系统难以完善，很难应用在情况复杂、监控要求比较高的场合。但是在模拟视频之后出现了数字视频监控系统。该系统与计算机的发展是息息相关的，它具有集成化程度高、数字化优越、智能化以及网络化易于实现等特有的优势。因此，能够应用于当今许多复杂的场合，更好的实现网络化监控，满足人们对于安全监控的要求，是大家研究的重点。
2 FPGA技术及视频图像理论基础
2.1 可编程逻辑器件概述
在电子信息行业中，只要谈到可编程器件，几乎每个人都不可避免的想到现场可编程门阵列。在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上，FPGA作为一种新式高性能产品，又作为ASIC领域中的新式半定制电路发展起来，解决了许多现实的问题。如定制电路的缺陷，原来可编程器件门电路数有限等。日前的FPGA有很多特点：容量大、速度高、灵活等。这些优势可以很好的完成复杂的时序和组合逻辑，在信号处理、数字传输、视频图像处理等领域的应用越来越多。
20世纪90年代是电信行业发展的年代，同时也是集成电路发展的年代。为了解决逻辑黏连，以及集成电路复杂度不断上升等问题，PLD（可编程逻辑器件）应运而生。PLD最先由Altera发明，早期为EEPROM工艺，基于乘积项（Product Term）结构。据说当初最早进入中国市场的是Lattice（莱迪斯），而非Altera或Xilinx。1991年，Lattice革命性地推出了ISP技术即在线可编程技术，从而开创了可编程逻辑器件的市场。通过ISP器件，工程师可以直接对器件进行编程，甚至擦除（不再需要紫外线擦除），从而有效的缩短了产品的上市周期，降低了生产成本。正因为ISP技术的优越性，Lattice率先占领了中国的市场，成为通信企业、研究所等青睐的产品。
不过毕竟Altera是PLD的发明者，同时由于Altera人性化的GUI开发界面，以及灵活强大的功能，吸引了一部分工程师。所以从1996年起，Altera在国内开始逐渐挽回了PLD的市场。随后Altera又推出了MAX7000系列PLD，其在设计与性能上的优势超过了Lattice，从而奠定了Altera在FPGA在中国的地位。
由于当时的PLD的加密性不好，同时不能防止辐射，所以它并不适合用于航天产品，不过Actel与Quicklogic的PLD采用了Antifuse（反熔丝）技术，以烧断熔丝为代价解决了加密的缺陷。这两家的PLD有一个最大的好处就是防辐射，以及支持军用温度，因此主要应用于航天和军事领域。
FPGA采用逻辑单元阵列LCA，内部包含可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB以及内部连线。
对于CLB模块而言，其功能是这样的。首先CLB作为FPGA内部的基本逻辑单元，其数量和特性根据
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