摘 要： 介紹了一種采用SoPC技術(shù)，適用于光照度不夠均勻造成圖像灰度過于集中環(huán)境下的視頻處理與顯示設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于FPGA技術(shù)，通過將NiosⅡ軟核處理器、用戶自定義邏輯模塊、存儲器、I/O等集成到單塊低成本的FPGA上，實(shí)現(xiàn)對解碼芯片SAA7113H的初始化及配置、視頻圖像灰度信號直方圖統(tǒng)計(jì)以及灰度均衡化的實(shí)時(shí)處理與顯示。其設(shè)計(jì)靈活、可靠性高，并且降低了成本和功耗。
關(guān)鍵詞： SoPC；I2C；灰度直方圖統(tǒng)計(jì)；灰度均衡化

　當(dāng)前基于軟核處理器的圖像系統(tǒng)已成為研究的熱點(diǎn)，使用FPGA來構(gòu)建基于片上可編程系統(tǒng)(SoPC)的圖像處理系統(tǒng)，已成為一種趨勢[1]。因此，本文采用SoPC技術(shù)，在Altera公司單片Cyclone系列FPGA上使用IP資源復(fù)用技術(shù)集成了NiosII軟核處理器及各種輸入輸出接口，完成了對視頻圖像的采集、預(yù)處理、存儲和顯示幾大功能。本系統(tǒng)對圖像進(jìn)行了灰度均衡化處理，使系統(tǒng)應(yīng)用更廣。由于直方圖均衡能直接從已知的圖像中提取信息，不需要額外的參數(shù)說明，所以在軍用、航空、商業(yè)等領(lǐng)域，特別是紅外圖像增強(qiáng)領(lǐng)域[2]有實(shí)際的意義。SoPC是Altera公司提出來的一種靈活、高效的柔性設(shè)計(jì)，不需要修改硬件[3]，就可方便地?cái)U(kuò)展和修改嵌入式視頻采集功能。同時(shí)，由于融入眾多的IP核，保證了設(shè)計(jì)的高效、快速。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理
　系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，Nios II軟核中的I2C控制總線對視頻采集模塊SAA7113H進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA依靠像素時(shí)鐘和行、場信號同步采集SAA7113H芯片輸出的視頻信號中的灰度視頻數(shù)據(jù)，把采集到的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度直方圖統(tǒng)計(jì)和灰度分布均衡化處理。Nios II軟核外部加一個(gè)延遲模塊，與灰度轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號同步之后，視頻輸入模塊開始工作，通過存儲控制、DMA控制器傳輸視頻信號，LCD顯示控制等模塊顯示所采集的信號。所有處理都采用流水線操作，大大節(jié)省了系統(tǒng)的處理時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 視頻解碼芯片SAA7113H初始化
　本系統(tǒng)中視頻解碼器的初始化配置由Nios II軟核處理器通過I2C總線完成，主要包括對視頻解碼器的工作模式，輸出行、場同步參考信號的時(shí)序關(guān)系以及輸出數(shù)字信號的格式等進(jìn)行設(shè)置。I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種兩線制總線，由一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時(shí)鐘線SCL組成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成芯片配置。首先，I2C總線控制器發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紬l件：SCL信號保持高電平、而SDA信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開始傳輸?shù)刂窋?shù)據(jù)流。起始條件滿足后，發(fā)出一個(gè)8 bit的設(shè)備從地址，所有的外圍設(shè)備開始響應(yīng)起始條件并轉(zhuǎn)換下一個(gè)8 bit寄存器地址(7 bit地址+1 bit讀寫位)，由高位到低位依次傳輸。外圍設(shè)備識別出傳輸?shù)刂泛螅诘?個(gè)時(shí)鐘脈沖(確認(rèn)位)把數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖?，然后開始將8 bit數(shù)據(jù)寫入或者讀出寄存器(讀寫位決定了數(shù)據(jù)的傳輸方向)。當(dāng)時(shí)鐘線SCLK為高電平、而數(shù)據(jù)線SDA由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表示一次數(shù)據(jù)傳輸完成，停止I2C總線，等待下一次的傳輸開始。圖2為I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖。