基于低成本FPGA的高清低码流H.264摄像机SoC参考设计

　　FPGA的内部结构如下图所示：

图2 FPGA的内部结构图

　　FPGA的选用

　　在高清低码流H.264摄像机的结构中，除了图像传感器、存储器、电源和模拟接口外，所有的功能如图像处理、H.264编码、协议处理、参数管理、媒体流发送等都由FPGA实现，FPGA就是高清低码流H.264摄像机的 SoC;目前世界上FPGA的生产商只有几个，可选择的产品也不多，要用FPGA实现高清低码流H.264摄像机的SoC，选择一款合适的FPGA非常重要，FPGA的选择主要考虑三方面的因素：速度、成本和结构;每个FPGA生产商都有多个FPGA系列，每个系列的速度、性能和价格都不同，要使高清低码流H.264摄像机SoC的成本尽可能低，应该选择成本最低的系列，像我们选择的FPGA是Altera公司的CYCLONE IV系列，型号是EP4CE115F23C8，CYCLONE IV是低成本系列，在同样是低成本系列的FPGA中，CYCLONE IV的速度是最快的; FPGA的结构对图像处理也很重要，尤其是存储器和乘法器的数量，H.264算法是以宏块为单位，在处理过程中必然会涉及到宏块的输入输出和缓存，1个宏 块的数据为384字节(256字节亮度数据和128字节色度数据)，如果考虑到输入输出和处理的并行，必须设置双份，即768字节，用CYCLONE IV的1个M9K存储块正好，从上面的分析可以看出适合图像处理的FPGA对内部存储器的要求是存储块容量小(如1KB)、存储块数量多，另外，对乘法器的要求也是数量多;在我们选择FPGA的时候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存储器逻辑比和乘法器逻辑比，很适合做图像处理。

　　图像传感器的选择

　　为 了满足1280x720x25fps的要求，只需要选择百万像素的传感器就可以了，我们最终选择了300万像素的AR0331，还可以实现 1920x1088x11fps，在实现1280x720x25fps时还有电子PTZ功能，AR0331还有宽动态功能，便于摄像机以后扩充宽动态功 能。

　　外部存储器

　　外部存储器有2片LP DDR SDRAM和1片串行FLASH，串行FLASH用于存储FPGA的配置数据和NIOS的数据程序，1片LP DDR SDRAM用于存储图像数据和编码结果，1片LP DDR SDRAM用于NIOSII运行ucLinux。

　　FPGA实现的功能

　　FPGA作为高清H.264摄像机的SoC实现的功能如下：

　　① 图像处理

　　● 边缘检测RAW插值计算

　　简单的RAW插值计算会造成边缘模糊，增加边缘检测判断可以避免造成边缘模糊;

　　● 3D滤波

　　从图像传感器出来的图像包含有噪声，去噪同时在帧间和帧内进行;

　　● 2D锐化

　　由于镜头等因素影响，从图像传感器出来的图像需要锐化才能清晰;

　　● GAMMA校正

　　从图像传感器出来的图像灰度不正确，需要做GAMMA校正，获得正确的灰度;

　　● 自动曝光控制

　　根据亮度条件调节适合的曝光参数;