兩路視頻同步實時采集與顯示

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目錄
引 言 …………………………………………………………………………………….8
第1章 緒論 9
1.1. 選題背景 9
1.2. 協(xié)同設(shè)計方法 9
1.3. 主要研究內(nèi)容 11
1.4. 論文結(jié)構(gòu) 13
第2章 驗證平臺Zedboard介紹 14
2.1. Zynq-7000芯片簡介 14
2.2. Zedboard介紹 16
第3章 系統(tǒng)設(shè)計方案 18
3.1. 方案論證 18
3.1.1. 攝像頭選擇 18
3.1.2. 攝像頭控制方式選擇 19
3.1.3. 視頻數(shù)據(jù)DMA方式選擇 19
3.1.4. PL端圖像處理設(shè)計方法選擇 19
3.2. 系統(tǒng)框圖 20
第4章 FPGA硬件部分設(shè)計 22
4.1. 硬件設(shè)計概述 22
4.2. 攝像頭圖像采集 22
4.2.1. 攝像頭控制與圖像采集 23
4.2.2. 視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 26
4.3. 硬件加速圖像處理 27
4.4. 通過VDMA存儲圖像至內(nèi)存 30
4.5. HDMI視頻輸出 32
4.5.1. ADV7511 HDMI視頻發(fā)送器 32
4.5.2. 程序設(shè)計 34
第5章 ARM軟件部分設(shè)計詳解 36
5.1. 搭建交叉編譯環(huán)境 36
5.1.1. 交叉編譯簡介 36
5.1.2. 安裝交叉工具 36
5.2. Qt環(huán)境搭建 37
5.2.1. Qt簡介 37
5.2.2. Qt在本地PC上安裝 38
5.2.3. Qt在Zedboard上的移植 40
5.3. 軟件圖像算法設(shè)計 41
5.4. 嵌入式Web服務(wù)器的移植與搭建 43
5.4.1. 嵌入式Web服務(wù)器介紹 43
5.4.2. Boa服務(wù)器的移植與部署 44
5.4.3. Boa服務(wù)器測試 44
5.5. Web camera設(shè)計 45
5.5.1. 工作原理介紹 45
5.5.2. 壓縮編碼器介紹 45
第6章 系統(tǒng)功能集成與調(diào)試 47
6.1. PL端程序設(shè)計 47
6.2. PS端程序設(shè)計 49
6.2.1. 處理器裸跑模式 50
6.2.2. Linux系統(tǒng)模式 51
6.3. WebCamera上位機顯示 51
第7章 總結(jié)和展望 53
參考文獻 ……………………………………………………………………………………54
致 謝 ……………………………………………………………………………………56
附錄 ………………………………………………………………………………………….57



摘要 Zynq-7000芯片作為XILINX最新的Soc All Programmable芯片，集可編程邏輯（Programmable Logic，簡稱PL）和處理器系統(tǒng)（Processing System，簡稱PS）于一身，軟硬件完全可重定制，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計來達到一款Zynq芯片大于FPGA加ARM兩塊芯片的效果。
論文以Zedboard為平臺，研制開發(fā)了兩路視頻同步實時采集、處理與雙屏顯示系統(tǒng)。設(shè)計過程中，充分使用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，科學(xué)地劃分軟硬件功能，使用硬件加速，軟件智能控制，極大地提高了效率。
在軟硬件功能劃分部分有三個關(guān)鍵點，其一是將攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊放在了PL部分，其二是將一部分圖像處理算子放在PL內(nèi)部執(zhí)行，其三是所有功能的控制與系統(tǒng)模塊的配置都放在PS內(nèi)執(zhí)行。這樣分配的原因有三：一是PL的時序控制相比PS更加嚴(yán)格，采集回來的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定；二是PL采集到攝像頭的數(shù)據(jù)后可以在PL內(nèi)部直接進行圖像處理；三是系統(tǒng)的控制較為復(fù)雜，步驟比較多，將這一塊放在PS內(nèi)執(zhí)行，恰能發(fā)揮PS的性能——可以執(zhí)行極其復(fù)雜的程序。
在這樣的軟硬件功能劃分的基礎(chǔ)上，PL是作為PS的協(xié)處理器存在的，PS是主控處理器，PL相當(dāng)于掛載在PS上的可編程的外設(shè)。在這里PL發(fā)揮了它邏輯并行的特性，來幫助PS完成其不能完成的模塊（比如HDMI輸出的控制模塊）或者其能夠完成，但是性能不是很高的模塊（比如攝像頭視頻數(shù)據(jù)的采集，一些圖像處理的算法）。有了PL的協(xié)助，整個系統(tǒng)能發(fā)揮更大的作用。
在功能設(shè)計上，本設(shè)計以Zedboard為平臺，使用PS配置攝像頭的參數(shù)，使用PL進行攝像頭數(shù)據(jù)的采集，并通過PL進行前期圖像處理，再通過VDMA IP經(jīng)過AXI4總線送至DDR3；同時產(chǎn)生硬件級中斷通知PS，PS及時取出數(shù)據(jù)再進行后期復(fù)雜的圖像算法。另外在顯示模塊中，本設(shè)計支持雙屏顯示，一是HDMI顯示器的本地視頻數(shù)據(jù)顯示，二是網(wǎng)絡(luò)攝像頭模塊的遠程視頻數(shù)據(jù)的顯示。雙屏顯示模式中，我們能夠直觀的觀察視頻數(shù)據(jù)，以及視頻處理的情況，而且還能很方便的搭建一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：視頻處理、遠程監(jiān)視、協(xié)同設(shè)計、多屏顯示、可編程邏輯、處理器系統(tǒng)
Two-way real-time video synchronous acquisition and display

Abstract As the newest Xilinx SoC All Programmable chip, Zynq-7000 combines Programmable Logic and Processing System on one single chip, both hardware and software can be reconfigured. Hardware and software codesign methodology makes Zynq-7000 work better than FPGA+ARM.
This paper is based on Zedboard platform , researching and developing Two-way real-time video synchronous acquisition , processing and dual screen display system. In the design, making full use of hardware and software co-design methodology, dividing hardware and software functions scientifically. With the hardware accelerating and software controlling, the system works more efficiently.
There are three key points at the part of dividing hardware and software functions, one is using PL to get the camera’s data; the other one is making some image processing Algorithms working in PL; the last one is all the system control and system configure are handled in PS. Three reasons make this kind of distribution, first PL is good at timing control and can make sure the data captured is stable and right; then after capturing the camera data , image processing can be done immediately, finally the system control is complex, it can be easily done in PS and give full play to the performance of PS, which is capable to execute Complicated process.
Based on this kind of hardware and software functional division, PL is working as the co-processor of PS. PS is the main processor, and PL is equiv..