多路视频采集卡的设计与实现

多路视频采集卡的设计与实现

王强

深圳市博德越科技有限公司，广东  深圳 518000

摘要：视频是人类信息的一个主要渠道。想要获取影像信息，必须完成图像信息收集。作为视频采集设备的基础，影像信息采集卡的设置非常关键。而本章针对多路视频采集卡进行了分析，该视频采集卡以 FPGA为逻辑控制中心， 采用 SAA7111将 4路视频信号分别转换为数字图像数据， 经 FIFO缓存后，由 PCI总线接口芯片 PCI9052将数据送入计算机， 最后通过应用程序将图像显示出来。实验分析表明该视频采集卡能实现 4路实时传输显示，能够真实的将采集卡采集到的影像信息通过驱动传递到应用监控软件，以便进行显示和存储，希望能为相关人员提供参考。

关键词：多路视频采集卡；设计；实现

数字视频监控管理系统因其直观、便捷、内容丰富的优点日益引起人们的关注，已成为保安防范体系的主要部分。视频采集子系统主要进行视频图像的采集与压缩工作，是数字化视频监测中最核心的组成部分，直接影响到了整个监测系统性能与品质的高低[1]。针对新一代的视频监测系统对于视频图象的高品质与实时性的需求。

1相关概念概述

1.1视频信号概述

视频信号是一个比较复杂的信息，它不但包括了画面本身的数据内容，而且包含着某些供采集用的处理数据，将这些内容混杂在一起，并按照特定的顺序和规则加以传递。

标准的电视信号是黑白 CCD 摄像头，通过连接设备将光学数据转换成幅值恒定的电信号，再配合机会支持组合产生的最终电视信号，而信号是黑白全视频（也称为混合电视信号）主要由图像数据、消隐数字、同步数字、开槽脉冲和图像脉冲等几部分构成。

彩色图像的每一位像素值中不但包括了亮度数据，而且也包括了色彩数据RGB建模作为经典的色彩空间建模，广泛应用在计算机、显卡和监视器件上，它利用了红绿蓝黄三种色彩的通道，形成了一个色彩空间结构。但由于RGB模式信息内容在数据传输中占有的巨大带宽，亮度数据容易引起色彩干涉，而且与黑白计算机并不兼容，所以在PAL制影像数据中采用了YUV建模。YUV建模通过亮度数据Y和色差数据U、V来描述图像信息。国家的高亮度信号的宽带是6MHz，而二个色差信号的宽带分别是1.3MHz，但因为YUV信号的数据传输时使用了频谱内插技术，所以只占6MHz宽带，而且可以和黑白电视兼容，所以获得了比较普遍的使用。

1.2视频信号的扫描

视频图像在电视上的显示是利用电线按照特定的规则进行扫描，并将它们作为光电目标形成的图像。视频信号的传输也作为扫描图像的时间序列在电视上传输。电子束扫描线沿水平线从左到右，称为扫描线（水平扫描图像）。扫描完每一行后，迅速将行移回行的左端继续开始新的一行，这时候称为行回轮，并发送行消隐（黑电平）与“比黑色更黑”线（水平相同的词）。电光在高低位置扫描时，也是沿垂直于该位置的方向缓慢扫描，称为场扫描（垂直扫描），此时称为响应质量过程。同时，电子束场被数字化扫描到观察场底部后，会迅速回到观察区上方的下一个位置）。扫描方式有隔行扫描与非隔行扫描之分。非隔行扫描亦称为逐行扫描技术，在电脑的显示图像中通常也使用非隔行扫描。隔行扫描分为奇偶二次进行，首先进行奇场，然后偶场平稳地插入到奇场的扫描行中间。二场合为同一帧。在隔行扫描时，不管摄像头或监视器，获取或展示同一幅画面都必须数码扫描二遍，方可获取一个完整的画面[2]。而隔行扫描的主要作用就是，在相同视频宽度的情况下，保持图像稳定，即使人眼也观察不出图像的闪烁程度（大于4场/秒）。这样就降低了对电视产品工艺水平的需求与投入。如果要达到最高的图像垂直分辨率，就需要将偶场的扫描行精确地嵌到奇场的扫描行的正中间，否则就会产生并行问题，从而大大降低了清晰度。

2多路视频采集卡的总体方案设计

视频采集卡的控制器基本原理如下图一所表示。在整个控制器中，以FPGA为中间的调整部分，通过它协调了各部分的时间和工作。控制系统上电后，它完成图像采集模块的初始化、数据信息缓冲模组的数据读写、PCI系端口的状态切换以及数据传输。而采用FPGA技术的数据信息收集控制器要产生更丰富的控制信息，可分为三种模组：图像数据收集控制器（I2C总线）、FIFO读写控制器、和与PCI接口芯片通讯。

图1多路视频采集系统原理图

2.1视频采集卡设计的关键技术

(1)4路CCD摄像头的同时监控工程设计中摒弃了使用图像配置增强器MAX4137，以一组CCD图像输出数据为基础源，通过同步集成电路进行扩大后，用于其他CCD摄像头的外同时数据的硬件部分进行监控方法，使用先进的现场可编程门阵列（FPGA）进行外同时的逻辑系统，使硬件部分系统简便化，极大节约了成本。

(2）标准视频信号采集的设置。通过视频编码器件如SAA7111等，对摄像机所产生的标准模拟视频数据进行收集，从而产生数字视频讯号、分离后的同步消息和取样时钟。而视频编码器件的模块化编程则采用

FPGA的I2C线路来完成，摒弃了传统采用单片机或DSP的I/O接口进行I2C线路时序的硬件方法，将硬件部分线路简单化，从而降低了生产成本。

(3）数字缓冲和输出控制逻辑的设计。编码芯片所产生的大数码视频信号迅速、信息量大，但同时信息内容传送也将大量浪费了计算机的空间，所以很有必要对信息内容加以缓冲区。于是我们选择了容量为×的规格为IDT七千二百零六的FIFO，同时，通过可编程逻辑器件实现了图像信息传送的逻辑限制，从而提高了影像信息的时序性能。

(4）基于PCI接口信息交换系统的设计。消息缓冲器中的图像视频信号数据必须及时传输到移动计算机储存装置中，并进行移动演示。采用PCI专业芯片组（PCI9052)，可以通过专业晶片来实现整体的PCI主控系统和目标系统之间的功能，把较复杂的PCI总线接口技术转变为比较简单的用户界面。在设计中，可以采用PCI总线接口的专业接口技术晶片作为目标控制器，来开发接口卡。

2.2系统的工作流程

(1）系统上电， PCI接口芯片复位，同时可以复位音频解码器的FIFO;

(2）控制器初始化视频解码器；

(3）图像信息通过视频解码器后，生成YUV形式的量化的图形信息，比其高八位数的亮度信息，并生成行、场同步信息；

(4）控制器同时接收了PCI的准备命令，并通过来自视频编码器的同步消息，产生FIFO的写消息，并把正确的亮度消息存入FIFO;

(5）从PCI总线上开始读取数据，并将数据发送到PC机上。

3视频采集卡的硬件设计

3.1数据采集模块的设计

在系统中，所有的视频数据由图像解码设备的SAA 7111采集。 SAA 7111，是飞利浦公司开发的可编程数字图像解码芯片。它可以将模拟视频图像转换为数字图像，具有两个模拟功能，可用于视频信号接收器。混叠过滤、模数切换、手动削波、自动增益控制、时钟生成、确定不同格式（PAL BGHI、Palm、PAL N、NTSC M 和 NTSC N），以及清晰度、对比度和饱和度管理等[3]。给图像采集技术的开发和使用提供了巨大的方便。其主要特征是:通过可编程选择将四路音频信号中的一路或二路构成为不同的工作方式，在其内设置了二个的音频信号处理通道，可实现对静态增益的检测或自动增益管理等。能通过单片机程序实现白输入输出电平检测、抗混叠过滤、梳形过滤等。可完成对行、场同步信息的自动检测与隔离，其中对行同步信息的开始位置和终止位置都可以按照要求实现单程序检测，片中提供的时钟采用了数字PLL锁定同步。

场频为五十Hz或六十Hz时控制，能自行在PAL与NTSC间自行判断、自行切换，并对不同的信息种类所组成的亮度信息和光敏点信息加以管理，还能进行反差度、色彩范围和饱和度的片内管理。可以通过编程设置不同的数字图像信息的格式（RG13888、RG13565、YUV422或 YUV411)。SAA 7111模块的功能框图如图2所示。模拟视频信号从SAA 7111的四个模拟输入输出端口AI11、AI12、AI21和AI22发出，经过模拟数据处理后，整个路径从提供到模拟输出端（AOUT）的缓冲器用于分析，其他通道通过A/D转换产生红色的亮度和色度信号，用于处理信号强度和色度数据。亮度信号处理结果分为两路，其中一路送至色度信号处理模块进行数据处理，产生Y和UV信号，格式化文件后从VPO（16项）提供给飞行中的任意位置. ；其他通道送同步经过adsl滤波器，数字PLL产生连接线和同步数据HS和VS，同步PLL驱动控制时钟，输出时序数据LLC和LLC2 lock with HS，控制工作芯片来自PC总线，思维模式实现。

图2 SAA7111功能模块图

3.2数据和逻辑管理单元的使用

进行信息缓冲和数据传输的电路设计的总线连接逻辑相当复杂，主要考虑到读出数据的顺序配合问题以及先进先出的满或空后的电路计算。局部数据总线的先进程度先出存储器IDT七千二百零六的数据输出接口（Q0~ Q7）相连。本地总线以总线时间作为操作时间，同时以FIFO存储器的LLC作为读写的连接时间，在本地控制信号RD中将R连接到总线上作为一个计时器。 FIFO寄存器R的时间开关，限制FIFO的数字读写，数字写出本地总线后，RD信号有效，所以FIFO存储器的LLC时钟沿的上升沿从缓冲器中提取并写入未注册的输出。生成RD文件时，会依次读取数据块，每个时钟周期后，以先进先出的方式读取下一个数字（8位）。在最后一次数据读取同时，通过先进的先出存储器从缓冲队列中提取一个数据并放入先输出缓冲器，保存到下一次局部总线读操作时，在数据读取过程中会发生数据丢失现象[4]。

在设计中，SAA 7111 输出的 13.5 MHz 时钟信号被用作 FIFO 地写时钟。当中断发生时，由于本地PCI总线使用33MHz的时钟，可以保证读的速率超过写的速率，所以不会出现写指针覆盖读指针的意外。当先入先出存储器缓冲队列满时，将无法向其输入数据，这就意味着将丢失部分图像数据，在这种情况下，利用

IDT7206的 FF#信号引发中断，在中断处理程序中，用软件方式使 PCI9052的局部总线初始化信号（LRESET#）有效，将此信号输入到 IDT7206的 RS#引脚，使先入先出存储器缓冲队列清空，然后在进入又一轮的数据输入。

当先进的先出存储器缓冲相对于列空时，在局部总线上无法得到有效数据，因此需要中断在局部总线上的读写操作，插入相应的等待时间。将 EF#信号反向接入 PCI9052的 LRDYi#引脚可以达到这个目的。当LRDYi引脚功能有效，用于局部总线数据读取之后，只有等到 LRDYi#上信号输入为有效时，操作才可结束。这样，只要EF信号持续有效，即先入先出存储器的缓冲对均列为真空时，当前的读操作就继续被保持，直到 EF#信号无效。示意图如图3所示。

图3数据缓冲与传输电路的设计

4视频采集卡的软件设计

4.1虚拟I2C总线端口图像采集功能

SAA 7111中有32个子地址（Subaddress00H~1FH），其中02H~12H为读写寄存器（02H~05H为模拟输入控制寄存器，02H用于设置模拟视频信号输入方式，03H~05H用于. 设置传输模式，通常使用06H~12H来设置决定模式），通过使用这些缓冲区，可以设置行同步数据的开始和结束模式，还可以设定反差度、颜色、饱和度的高低以及限制性影像数据信号的格式。需要指出的是，当在读零H寄存器时，应该先把它初始化为零。而当对几个连续的寄存器开始运算时，寄存器地址起自动为一作用。

硬件连接的IICS为SAA7111的读写控制位，而IICSA=零表示SAA7111的写位为48H.因此我们可以将SAA7111的初始化设置为：一路模拟视频信号进入（AI12)，手动增益功能，625的50 Hz PAL制式， YUV42216的数码视频信号输入输出，并设定为默认的图像反差度、亮度以及饱和度。相应的寄存器初始化参数根据需要自行设定。

编程采用的语言是 VerilogHDL.首先需要按照I2C总线的工作原理，编制启动、停止、发出应答信息和读、载入每一个字节数据信息的子程式，接着再按照SAA7111的寄存器运行格式编制读、载入辅助寄存器信息的子程式，最后再按照以上子程式编制初始化SAA7111的子程式段。 SAA7111的初始化过程，如图四所示。

图4SAA7111初始化流程图

4.2视频采集卡驱动程序的设计

是Win 7平台提供的VXD驱动。应用程序使用终端获取图像内容后，会调用DeviceIO2Control函数，将W32-DEVI2CEIOCONTROL信号传递给VXD，调用VXD中的W32 DeviceIOControl信号映射函数。 ，将首先设置为PCI 9052内部控制的SoftReset位置，执行LRESET指令后，FIFO列表将被清除。 VXD从地址请求图片缓存，从PCI 9052读取图片，存入请求缓存，接着再经过WIN32QueueUserApc函数连接，调出在应用程序中所提交的回调函数，以图像缓存位置为基础发送函数，使用程序端就能够直接从回调函数中显示图像了。如果PCI总线忙碌，FIFO寄存器上的消息还来不及读出，或者FIFO寄存器上出现由FF信号所引起的暂停，通过从中断处理函数中清空FIFO寄存器，就可以使整个操作系统复位。

由于 PCI9052 内部必须借助串行 EEPROM 中的信息进行初始化，因此在写入每个驱动程序之前，必须将初始信息写入串行 EEPROM 芯片 NM93CS46。）在复合中完成。数据采集。 PCI根地址注册表组中的前两个地址配置了访问本地注册表组，因此要访问本地注册表组，必须先进入PCI位置配置。系统提供2个32位I/O口寄存器，地址分别为OCF811和OCFCH来访问PCI设备的寄存器，其中一个是地址（CONFIG ADDRESS，I/O地址为0CFBH~0CFBH），另一个是配置寄存器，数据端口（CONFIG DATA，I/O地址为0CFCH~0CFFH）。

5结束语

总之，本文在了解视频技术技巧的基础上，制作了一款基于PCI总线的多路同步视频采集卡，采集的图像为黑白模拟信号。显卡采用FPGA作为逻辑控制器，利用SAA7111将四路视频信号转换成数字图像数据，经过FIFO缓存后，通过PCI总线接口芯片PCI9052发送到计算机，最后由程序显示图像程序.

参考文献

[1] 刘玉海， 张锡恩. 多路视频信号处理在微机上的实现[J]. 测控技术， 2001, 20(10):3.

[2] 闫海英. 一种多路视频采集的同步系统,方法和采集控制器:, CN111107248A[P]. 2020.

[3] 邓鲁华, 宗光华, 王巍. 远程多路视频信号无线传输采集系统设计[J]. 沈阳航空工业学院学报, 2007.

[4] 金钧, 刘锦高. 基于DShow的多路视频实时采集处理系统[J].

信息技术, 2011(8):3.

作者简介：王强 （1979年5月）男， 汉族 ，陕西西安 ，本科，总经理 ， 研究方向：消费电子产品应用