目前，傳統的遠程圖像監控系統存在兩方面的缺陷:(1)傳統的監控系統約60%采用模擬監控技術，雖配置簡單，但存在信息量大、信號隨距離衰減、圖像壓縮后期處理困難及無法聯網等缺點，已不能滿足于遠程實時監控系統的需要。 (2)一般采用專門的光纜或者電纜進行有線傳輸，對地形、線路要求嚴格，且投入成本高，維護困難，不易于多監測點、大范圍的監控。隨著數字圖像處理技術、大規模和超大規模集成電路技術以及無線網絡通信技術的迅速發展，無線數字圖像監控系統已逐漸得到各行業的青睞，具有廣泛的應用前景[1-2]。

    本設計以 FPGA為中央處理器，研制了一種基于FPGA的遠程圖像監控系統。系統以FPGA為上位機，采用硬件可編程邏輯語言控制CMOS傳感器MT9P001(Micron 公司)，采集監控現場的彩色圖像，分R、G、B三色獨立存儲在片外擴展RAM中。利用提升小波變換對R、G、B三色分量分別進行壓縮，且小波壓縮功能單獨形成模塊，集成于FPGA內部。系統選擇Cinterion公司工業級模塊MC52i及可靠性強的TCP/IP協議，借助固化于FPGA芯片的UART(通用異步收發器)模塊，無線傳輸壓縮后的彩色圖像。
1 系統框架
    系統框架如圖1所示。FPGA器件采用Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片作為系統的控制核心。攝像模塊選用Terasic公司的D5M數碼相機開發套件。Cinterion公司的工業級模塊MC52i作為無線數據傳輸模塊。另擴展了三片RAM作為圖像R、G、B三色分量的存儲器件。圖像采集模塊、小波壓縮模塊、數據傳輸模塊及UART模塊均集成于核心器件FPGA內部。 

2 圖像采集模塊設計
2.1 采集芯片特點
    D5M采用CMOS傳感器MT9P001,提供40引腳與FPGA芯片相連接。模塊內部集成了I2C串行接口，通過此串口即可對模塊內部各寄存器進行配置。CMOS傳感器以Bayer格式輸出像素點，包括Green1、Green2、Red和Blue四種顏色。該模塊支持分辨率可調，允許2 592×1 944、1 280×1 024、800×600、640×480等多種分辨率。
2.2采集模塊控制
    采集模塊控制主要分為兩部分：CMOS傳感器參數設置、圖像模式轉換。
    (1)CMOS傳感器參數設置：采用Verilog HDL語言實現I2C串口模塊，通過I2C串行總線對CMOS傳感器的各寄存器進行配置。選擇圖片的分辨率為320×240。令binning與skipping采樣模式聯合工作，行采樣模式寄存器R0x22、 列采樣模式寄存器R0x23均設置為0x0033，同時行尺寸寄存器R0x03設置為0x077f，列尺寸寄存器R0x04設置為0x09ff，得到CMOS傳感器提供的最小分辨率為640×480的圖像，后經間隔抽樣即得到分辨率為320×240的圖像。
    (2)圖像模式轉換： Bayer格式中一像素點對應四種顏色Green1、Green2、Red和Blue，四維空間對數據的存儲及處理的精確度都帶來不便。設計提出將彩色圖像Bayer格式轉為RGB格式，將R、G、B三色分量作為獨立的三個灰度圖像進行存儲、處理。通過幀有效、行有效及像素時鐘3個同步信號，正確抓取Bayer格式原始圖像數據流。利用行緩沖+流水線的方式，將原始圖像數據實時轉換為RGB格式數據，并獨立存儲于片外擴展的3片RAM。
3 小波壓縮模塊設計
3.1小波壓縮的算法
      提升小波變換，亦稱為第二代小波變換，不僅具有傳統小波變換多分辨率的優點，還實現了從整數到整數的變換，滿足了無損壓縮的要求，且簡化了運算，易于硬件的快速實現。提升小波變換分為分裂、預測和更新三個步驟[3-4]。分裂，即將數據分裂成偶數樣本和奇數樣本；預測，則利用偶數樣本預測奇數樣本，取奇數樣本與預測值之差代替奇數樣本，獲得高頻信息；更新，須構造一個算子，作用于高頻信號并疊加到偶數樣本上，得到低頻信息。
    考慮到圖像是有限長度的數據流，在小波變換時需要對原始數據做邊界處理。系統采用周期對稱延拓結構代替傳統的邊界補零結構對邊界進行處理，避免邊界補零結構帶來多余小波系數的缺點。設數據的范圍是0~N，5/3提升小波變換的整數變換形式如式(1)[5]:    

3.2 小波壓縮的實現
    壓縮由分裂、預測和更新三個步驟組成。系統以頻率F從RAM輸出數據，以頻率F/2采樣數據，即分裂為奇數序列與偶數序列，其中奇、偶序列的采樣時鐘上升沿間隔一時鐘周期1/F。預測、更新和邊界的處理應用DSP Builder[6]中的Pipelined Adder(流水線加法器)、Barrel Shifter(桶型移位器)、Delay(延時器)、Multiplexer(復用器)、Single Pulse(單脈沖發生器)等模塊實現式(1)，其中Multiplexer和Single Pulse特別用于邊界處理。應用Modelsim進行功能仿真，Quartus II進行硬件設計驗證[7]。
     壓縮自成模塊，R、G、B三色分量獨立壓縮，則重復調用壓縮模塊即可實現多重壓縮。
4 無線通信模塊設計
    GPRS(通用無線分組業務)是介于2G（第2代移動通信技術）和3G（第3代移動通信技術）之間的一種使用最為廣泛的通信技術。GPRS無線通信系統主要由三大部分組成：移動臺、GPRS通信網和監控終端[8]。本系統移動臺由GPRS模塊和FPGA控制芯片組成；GPRS通信網包括BSC（基站控制器）、BTS(基站子系統)、SGSN(服務支持節點)、骨干網、GGSN（網關支持節點）等。
4.1 傳輸芯片特點
    MC52i是Cinterion公司（原西門子）的一款內部自帶有TCP/IP協議棧的工業級模塊。模塊提供UART作為數據接口，支持的串口波特率范圍為300~230 400 b/s。通過FPGA內部編程實現UART模塊，即可完成FPGA與MC52i之間AT指令和數據的雙向傳輸。本系統使用的主要AT指令集設置如表1所示。MC52i可在-40℃~+80℃的環境下正常工作，具有功耗低、可靠性高、性價比高的特點,目前廣泛運用于智能公交、無線數傳、遠程無線抄表等系統中。支持電壓范圍3.3 V~4.8 V。

4.2 通信模塊控制
4.2.1 UART內核實現
    UART內核由三部分組成：波特率發生器、數據發送模塊和數據接收模塊。波特率發生器采用直接數字頻率合成法實現高精度任意分頻，其算式如式(2)所示[9]。其中fo為輸出頻率；fc為輸入時鐘頻率；K為頻率控制字；N代表累加器。只要改變頻率控制字K的取值，即可得到不同的輸出頻率。FPGA為數據發送模塊的主控，根據固定波特率，用一個狀態機10個狀態依次發送串口數據的起始位、8位數據位和停止位即可[10]。在數據接收端，仍采用FPGA控制，采樣頻率取為波特率的16倍。

4.2.2 傳輸控制實現
　    九條主要AT指令由FPGA通過UART模塊以固定波特率發送至MC52i，進行GPRS聯網配置。通信協議采用TCP協議，實現與遠程監控終端的連接。如服務器也通過UART返回指令^SISW:1,1到FPGA，則連接成功建立。連接成功后，即可進行數據傳輸，發送請求傳輸數據指令AT^SISW=1，n，n取1~1 500 B。FPGA收到服務器返回指令^SISW:1,n,0，則允許FPGA繼續傳輸數據，否則需重新發送請求。MC52i最多一次可傳輸1 500 B，圖像數據量遠遠超過范圍，則需分多次傳輸，每次傳輸都需發送請求傳輸數據指令，確定傳輸數據長度。具體GPRS傳輸網絡流程圖如圖2所示。

5 系統驗證
    主程序框架如圖3所示，主分為D5M采集、小波壓縮及MC52i無線傳輸三部分。小波壓縮模塊采用DSP Builder連接QuartusII9.1和Simulink，實現模塊的編譯、綜合和仿真。系統經Cyclone II系列EP2C35F672芯片進行適配。

    FPGA控制D5M CMOS傳感器MT9P001實時抓取植物(右下葉片發黃)的彩色圖像，轉為R、G、B三色分量，并獨立存儲。每一圖像大小均為320×240，可合成為彩色圖像,如圖4所示。三色分量圖像經獨立壓縮后經MC52i傳輸到終端。此時圖像大小均為160×120，合成后的彩色圖像如圖5所示。該圖像保留了植物的特征，如植物泛黃的部分依然存在，可用作植物健康狀況判別的依據。測試表明本系統實現了對CMOS彩色圖像的采集、預處理、存儲、壓縮及無線傳輸等功能，在接收端較好地保存了圖像的細節特征，其右下葉片發黃處仍清晰可見。本系統可為環境監測、遠程醫療診斷等領域提供實時圖像分析與處理。

    本系統以FPGA為核心器件，在FPGA上實現圖像采集、存儲、處理及傳輸等各功能，減少了硬件的投入，且具有開發周期短、集成度高、靈活性好等優點。系統采用GPRS實現數字圖像傳輸，避免了傳統遠程監控系統的兩大缺陷，實現了監控系統的全數字化及無線傳輸功能。應用改進的5/3提升小波變換作為壓縮算法，避免了邊界補零結構帶來多余小波系數的不足，提高了壓縮圖片的質量。擴展片外存儲器存儲大量圖像數據，減少片上資源消耗，提高了運行速度。采集、壓縮、存儲、傳輸各成模塊，且彩色圖像分三色獨立地存儲及處理，有利于系統的調試、移植。
參考文獻
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