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A UHD mipi csi-2 image acquisition system based on FPGA

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A UHD MIPI CSI-2 image acquisition system based on FPGA

基于mipi csi-2协议的发送端接口设计与验证

第40届中国控制会议

作者： Fuchun Liu Lei Wang Yang Yang College of Automation Science and Engineering The Key Laboratory of Autonomous Systems and Networked Control（ASNC） Ministry of Education South China University of Technology

With the development of information technology and the ultra high definition（UHD） video industry, the video’s resolution is continuously improving, from the standard definition（SD） era to the high definition（HD） era, and the UHD *** the field of biomedical engineering, the requirement of medical device endoscope for image resolution is higher and *** with the traditional HD endoscope system, the UHD endoscope image acquisition system designed in this article uses FPGA（Field Programmable Gate Array） as the processing center. The image resolution is increased from 1920*1080 to 3840*2160. Our system designed a physical layer and protocol layer of mipi csi-2 interface that can support 30 frame per second. It proves that our image acquisition system is practical and stable for medical endoscope image acquisition systems and also suitable for ultra-high-definition image systems in other fields.

关键词： FPGA mipi csi-2 D-PHY UHD image acquisition endoscope

来源： cnki会议评论

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基于MIPI CSI-2协议的发送端接口设计与验证

作者：高航西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的飞速发展,人们对高分辨率视频和图像的需求日益提高,这对图像处理芯片的性能提出了巨大挑战,图像处理芯片的数据传输速度是决定其性能的关键因素。因为mipi csi-2接口具有传输速率高、成本低、抗干扰性强、可扩展性强等特... 详细信息

随着科学技术的飞速发展,人们对高分辨率视频和图像的需求日益提高,这对图像处理芯片的性能提出了巨大挑战,图像处理芯片的数据传输速度是决定其性能的关键因素。因为mipi csi-2接口具有传输速率高、成本低、抗干扰性强、可扩展性强等特点,大多数移动设备厂商采用mipi csi-2接口传输图像数据,以提高传输速度。因此,对mipi csi-2接口开展研究具有重要意义。本文设计了一款基于mipi csi-2协议的发送端接口电路,同时制定验证策略,搭建了基于UVM验证方法学的验证平台,将发送端接口与mipi D-PHY连接,进行了功能验证。主要研究成果如下:（1）mipi csi-2发送端接口设计。首先,在了解mipi csi-2、mipi D-PHY、APB和AXI4-Stream协议的基础上,采用自顶向下的设计方法,得到了基于mipi csi-2协议的发送端接口电路系统框架。根据功能需求对电路进行划分,分别为字节打包模块、底层协议模块、通道分发模块、物理层协议接口模块、中断模块和寄存器配置模块。其次,完成了子模块的设计工作。在字节打包模块采用有限状态机的设计方法,将多种符合AXI4-Stream协议的图像格式数据打包成字节,图像格式包括RAW8、RAW10、RAW12、RAW14、RGB888、YUV422 8-bit、User Defined;在底层协议模块根据ECC、CRC校验算法生成对应的校验码,检查在传输过程中可能出现的错误,并将字节数据加上包头包尾打包成符合csi-2协议的数据包;在通道分发模块通过轮询仲裁算法,将四个虚拟通道数据交错传输,并分发到不同的物理层输出通道上,输出通道数可配为1、2、4;在物理层协议接口模块采用有限状态机的设计方法,在高速模式下将通道分发模块的数据传输到D-PHY中,在逃逸模式下实现Trigger、LPDT和ULPS操作,其中高速模式速率为80Mbps到2.5Gbps,逃逸模式速率最高可达到10Mbps;在中断模块借鉴Synopsys IP的中断设计思想,生成相应的中断信号。（2）mipi csi-2发送端接口验证。首先,根据对该接口功能以及应用场景的理解,提取电路的测试点,制定验证策略,基于UVM验证方法学搭建验证平台,其中为了模拟电路更真实的应用场景,使用了Synopsys的商用mipi csi-2接收端VIP（Verification Intellectual Property）模仿mipi csi-2接收端的行为,接收从发送端传输的数据并进行相关检查。然后根据测试点构建测试用例并进行功能仿真,仿真结果表明发送端接口电路的功能符合预期,而且支持以60fps的帧率传输分辨率为2560×1440的RGB888格式图像,经比较其传输速率高于同类产品。然后对典型波形进行分析,进一步确认了电路功能的正确性,同时在排除无法覆盖的代码后代码覆盖率达到100%。此外,对电路进行逻辑综合得到面积和功耗,总面积为120269.7μm2,总功耗为0.822mW,均符合预期。

关键词： mipi csi-2 mipi D-PHY AXI4-Stream UVM

基于mipi csi-2协议的接收端接口设计与验证

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基于MIPI CSI-2协议的接收端接口设计与验证

作者：蒋智超辽宁大学

学位级别：硕士

随着集成电路设计及制造技术的快速发展,电子产品快速迭代,人们对视频图像的清晰度及分辨率的要求日益增高,所需传输的数据量越来越大,传统接口的数据传输能力已无法满足高速传输的要求。mipi csi-2接口具有高传输速度、低功耗和强抗干... 详细信息

随着集成电路设计及制造技术的快速发展,电子产品快速迭代,人们对视频图像的清晰度及分辨率的要求日益增高,所需传输的数据量越来越大,传统接口的数据传输能力已无法满足高速传输的要求。mipi csi-2接口具有高传输速度、低功耗和强抗干扰能力的优点,目前大多数电子设备厂商都在用mipi csi-2接口进行图像数据的传输。本文先研究并介绍了mipi协议及APB协议,然后基于Verilog HDL语言和mipi csi-2协议对接收端接口进行设计。首先根据mipi csi-2协议对接收端进行架构设计和模块划分,电路模块主要包括通道管理模块、底层协议模块、字节处理模块、解压缩模块、数字视频端口模块、窗口切割模块、残帧过滤模块、寄存器模块、中断模块及复位模块,各模块之间数据传输符合握手规则。本接收端使用mipi D-PHY作为物理层,在通道管理模块中与D-PHY的信号进行交互,传输速率为80Mbps至2.5Gbps,且在寄存器配置模块中设计有用于配置D-PHY的模块。本设计最高工作频率为125MHz,支持四条数据通道和七种图像格式,支持的图像格式包括YUV422-8bit、RAW8、RAW10、RAW12、RAW14、和USER＿DEFINED,其中USER＿DEFINED格式中包括两种压缩数据,一种为RLE类型的无损压缩,一种为MJPEG类型的有损压缩。采用无损压缩数据传输模式在不影响图像质量的情况下可将传输效率提升95%,而采用有损压缩数据传输模式则可在保证较高图像质量的前提下提升效率约154倍。本设计支持在底层协议层对包头进行ECC校验和对负载数据进行CRC校验。在数字视频端口模块将像素按照规定的格式打包后,可选择不同通道进行输出。此外,本接收端可通过配置寄存器实现对图片数据的裁剪和残帧过滤操作。在电路设计完成之后,基于UVM验证方法学搭建测试平台,编写测试用例对其进行全面验证。仿真结果显示,此接收端可支持上述所有数据类型的接收和传输且模块功能正确。经过回归验证后进行了覆盖率收集,去除掉部分冗余代码及无法覆盖的代码后代码覆盖率可达100%。最后对接收端电路进行了逻辑综合,得到其电路总面积约为31442.08μm,电路功耗约为1.156m W。

关键词： mipi csi-2 mipi D-PHY 数据类型压缩数据解压缩

基于FPGA和mipi csi-2的双摄像头图像采集系统设计

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基于FPGA和MIPI CSI-2的双摄像头图像采集系统设计

作者：陈锐弦西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着我国在现代医疗建设、人工智能、交通监控、城市管理、科研教学等领域的不断发展,人们对获取高质量图像数据的需求在不断提高,尤其是以卷积神经网络为代表的深度学习领域,需要完成大量实时图像的数据传输。例如,传输1920×1080 25fp... 详细信息

随着我国在现代医疗建设、人工智能、交通监控、城市管理、科研教学等领域的不断发展,人们对获取高质量图像数据的需求在不断提高,尤其是以卷积神经网络为代表的深度学习领域,需要完成大量实时图像的数据传输。例如,传输1920×1080 25fps的图像,要求系统的传输速率高达1.159 Gbps。使用传统并行总线进行传输的图像采集系统,当时钟频率较高时,并行信号线之间的相互干扰增大,难以实现数据的高速化传输。同时,并行总线随着传输数据位宽的增加,需占用更多芯片的管脚以及板上布线面积,这会导致开发成本的增加。因此,并行总线已无法满足当前的设计需求。采用可见光单摄像头的图像采集系统虽然具有较高的分辨率,且对图像的描述更为具体,但成像质量易受外部光照条件的影响,对周围环境的适应能力较弱;采用红外单摄像头的图像采集系统成像虽然不受外部光照的影响,且对热目标物具有良好的成像效果,但是由于其分辨率较低,清晰度不高导致应用范围受限。因此,研究一种将可见光与红外图像采集,融合与输出的方法,得到目标明显,背景清晰和视觉效果突出的融合图像,并设计一款高性能,适用性广的图像采集系统具有重要的意义。本文的研究目的是设计一款适用于FPGA平台的图像采集系统,该系统具备对可见光图像与红外图像的采集,融合与传输能力,确保系统能够在各种环境下保持良好的运行性能。此外,系统支持对图像数据进行YUV转换RGB格式以兼容不同的使用需求。经过采集,处理和转换后的图像数据将通过系统总线进行输出,其格式和时序需要满足系统总线的要求与规范,因此在图像采集系统的设计中还包含有与图像数据发送相关的系统总线主机模块设计。设计方法如下:选择DALSA公司的FTT1010M CCD摄像头和Sofradir公司的Snake SW Tecless红外探测器分别作为可见光与红外摄像头,为系统提供源图像数据,采用外置的mipi D-PHY控制子卡作为数据接收的物理层,对物理层输出的图像数据进行分析和处理,并按照mipi csi-2协议的规定对接收摄像头图像数据的模块进行数字部分的设计,借助FPGA开发板上的资源,实现系统的开发。设计成果与结论:使用EDA工具对代码进行设计与仿真,构建UVM验证环境,对代码进行功能检查与验证,并在FPGA平台上对设计代码进行仿真与测试。结果显示,该系统支持1920×1080分辨率的融合图像进行30 fps帧率传输。通过UVM验证,整体覆盖率得分达93%以上。同时,通过在FPGA开发板进行实验与测试,得出查找表资源占用率为4.50%;寄存器资源占用率为6.57%;BRAM资源占用率为11.31%。系统的动态功耗为0.566 W,FPGA总静态功耗为1.793 W。

关键词： FPGA mipi csi-2 双摄像头图像采集系统 UVM验证

基于FPGA的mipi csi-2图像采集系统设计

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电子测量技术 2020年第6期43卷 169-173页

作者：刘博熙刘一清华东师范大学通信与电子工程学院上海200241

随着图像传感器分辨率及数据传输速率的提高,其传输接口由并行DVP接口逐渐转变为mipi csi-2接口。然而,目前国内学者较少针对该接口设计图像采集系统。基于此,提出了一套基于mipi csi-2接口的图像采集系统的解决方案。该设计采用自主设... 详细信息

随着图像传感器分辨率及数据传输速率的提高,其传输接口由并行DVP接口逐渐转变为mipi csi-2接口。然而,目前国内学者较少针对该接口设计图像采集系统。基于此,提出了一套基于mipi csi-2接口的图像采集系统的解决方案。该设计采用自主设计的软硬件平台开发,以安森美公司的AR1337 CMOS图像传感器为视频源,采用Xilinx公司的FPGA作为核心处理器,利用其强大的并行处理能力,实现mipi csi-2数据接收、协议解析、图像格式转换以及视频输出等操作。经测试,该设计支持的最大视频分辨率为1920×1080,从采集到输出端显示总延时小于100 ms,满足图像采集系统对实时性的需求,为如今越来越广泛的超高清视频应用场景提供了一个完整的解决方案。

关键词： FPGA mipi csi-2 图像采集系统

基于GMSL2的智能驾驶域控制器视频输出功能检测系统研究

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电子测量与仪器学报 2024年

作者：王芳郭斌陆艺江文松闫晗中国计量大学杭州沃镭智能科技股份有限公司

智能驾驶域控制器承担着处理和分析来自各种传感器的数据。然而，随着车载摄像头数量的不断增加，域控制器内部的解串，加串，图像处理等各个环节都可能出现丢帧和像素异常问题，进而对其图像处理结果产生负面影响。为了精准评估智能驾... 详细信息

智能驾驶域控制器承担着处理和分析来自各种传感器的数据。然而，随着车载摄像头数量的不断增加，域控制器内部的解串，加串，图像处理等各个环节都可能出现丢帧和像素异常问题，进而对其图像处理结果产生负面影响。为了精准评估智能驾驶域控制器的GMSL2视频输出功能，研究了一种双路GMSL2视频采集和视频质量对比系统。通过硬件板卡设计将GMSL2接口视频信号解串为mipi csi-2信号，由桥接芯片MC20901将mipi csi-2信号分离为FPGA可识别的LVDS信号和CMOS信号。通过XLINX XC7K325T-FFG900主控芯片进行FPGA逻辑设计，实现mipi信号解析，YUV422转RGB888视频格式转码，DDR3缓存和PCIe 2.0×8总线上传。最后，以6位数码管百分秒表和24色标准色卡为拍摄对象，将拍摄到的视频帧结合图像特征提取、数码管穿线识别算法和RGB加权欧几里得色差公式，实现视频的丢帧和色差检测。实验结果表明：本系统能够实时采集双路YUV422 8bit、4K、30FPS的GMSL2接口视频数据，并对智能驾驶域控制器输出的视频是否存在丢帧和色差问题进行定量分析，区分出被测件合格品与不合格品。提高了智能驾驶域控制视频输入输出功能检测结果的可靠性。

关键词：智能驾驶域控制器 GMSL2 mipi csi-2 视频采集视频质量检测

基于FPGA的多视频接口的紫外成像系统设计

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电子测量技术 2021年第1期44卷 103-109页

作者：章挺余飞鸿浙江大学光电科学与工程学院杭州310027

设计的多视频接口紫外成像系统,支持通过USB3.0接口输出图像数据至PC上进行显示,并且创造性地提出通过mipi csi-2接口将图像数据输出至Hi3519处理器进行显示,同时提出了两种类型的接口转换方法。设计了成像系统的图像采集模块、通过现... 详细信息

设计的多视频接口紫外成像系统,支持通过USB3.0接口输出图像数据至PC上进行显示,并且创造性地提出通过mipi csi-2接口将图像数据输出至Hi3519处理器进行显示,同时提出了两种类型的接口转换方法。设计了成像系统的图像采集模块、通过现场可编程门阵列(FPGA)以硬件描述语言(Verilog)构建的图像处理模块、I2C通信模块以及接口桥接转换模块等,其中图像处理模块作为系统的主控核心模块,分别控制图像采集模块完成了图像信息的采集、控制I2C通信模块和接口桥接模块完成开发平台的实时显示,另外该系统针对平滑噪声的处理集成了双边滤波算法、并且设计了图像模式切换、HDR模式切换、图像缩放和图像翻转等多种功能。通过对系统进行测试和验证,结果系统能够稳定提供分辨率为2 048×2 040@44 fps的视频流,结果表明该系统且具备低功耗的优势,最终完成了紫外成像系统和专业领域应用的精准匹配。

关键词：紫外成像 USB3.0 mipi csi-2 I^(2)C 接口桥接双边滤波算法 HDR

基于FPGA的超高清内窥镜图像采集及增强算法实现

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基于FPGA的超高清内窥镜图像采集及增强算法实现

作者：汪磊华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,外科手术逐渐向微创化方向发展,电子医用内窥镜已经成为微创手术不可缺少的医疗器械。由于内窥镜对图像分辨率的需求不断增加,分辨率需要从1920*1080提升到3840*2160。在视频采集、传输以及实时处理等方面,由于视频数据量成倍增... 详细信息

近年来,外科手术逐渐向微创化方向发展,电子医用内窥镜已经成为微创手术不可缺少的医疗器械。由于内窥镜对图像分辨率的需求不断增加,分辨率需要从1920*1080提升到3840*2160。在视频采集、传输以及实时处理等方面,由于视频数据量成倍增加,传统内窥镜设计方案难以满足超高清内窥镜的需求。针对上述问题,本文采用并行架构的FPGA作为主处理器,设计了一套超高清内窥镜的视频采集、传输与图像增强处理系统。系统分成摄像头手柄和图像处理主机两大部分,摄像头手柄实现超高清视频采集与远距离实时传输功能,图像处理主机实现超高清视频的实时图像增强处理及显示功能。在视频采集方面,由于超高清分辨率图像传感器输出mipi csi-2协议数据,本文利用FPGA逻辑编程的优势,实现mipi csi-2协议的物理层D-PHY和协议层csi-2,完成图像数据的解码工作。在视频远距离传输方面,摄像头手柄需要将采集到的视频数据无压缩实时传输到5m之外的图像处理主机上。本文选择基于8B/10B的Aurora协议对原始图像数据进行编码,借助Xilinx的Ser Des实现串行数据的收发。串行数据带宽为3.125Gbps,经光模块将电信号转成光信号,传输给图像处理主机。在视频实时处理及显示方面,本论文借助FPGA并行处理的优势,实现图像预处理及图像增强算法的逻辑映射。图像预处理包括:坏点去除、Bayer插值和白平衡处理。为保证处理过程颜色不发生变化,本文将色彩空间从RGB转到HSI,从对比度、饱和度和锐度三个方面对图像进行增强。为使图像不出现断帧现象,本文设计基于DDR3读写仲裁控制模块,选用两片DDR3作为外部存储器,系统带宽为25.6 Gbps。在视频显示方面,本文选用4K HDMI编码芯片Sil9136-3,视频最终在4K显示器上显示。通过对系统进行性能指标测试,本文设计的视频采集、传输与图像增强处理系统满足超高清内窥镜的需求。系统延时为110 ms,图像分辨率为3840*2160,视频帧率为30 fps。本文的设计为超高清内窥镜场景提供了一套解决方案。

关键词：超高清内窥镜图像增强 mipi csi-2 高速信号传输 FPGA

基于FPGA的水下视觉阵列采集传输系统的研究

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基于FPGA的水下视觉阵列采集传输系统的研究

作者：高梦圆东南大学

学位级别：硕士

近年来,我国桥梁建设发展迅猛,已处于世界先进水平,开展桥梁水下结构表观检测技术的研究对响应我国在役桥梁养护和危旧桥梁改造等国家重大需求都具有重大经济与社会意义。目前,桥梁的水下结构表观检测技术已有相关研究,但较为成熟的技... 详细信息

近年来,我国桥梁建设发展迅猛,已处于世界先进水平,开展桥梁水下结构表观检测技术的研究对响应我国在役桥梁养护和危旧桥梁改造等国家重大需求都具有重大经济与社会意义。目前,桥梁的水下结构表观检测技术已有相关研究,但较为成熟的技术大都存在体积大、功耗高、扩展性能差、后期维护困难等缺点,尤其对于复杂水域,如急流、浑浊水域的检测更是对测量技术提出了严峻的挑战。在“十二五”国家科技支撑计划的资助下,课题组采用相机阵列测量技术解决了浑浊水域中结构表面近距离、大面积的测量难题。但由于当时采用复合视频信号相机,给4×10相机阵列的图像信号传输造成了很大的困难,大量的数据线不仅给测量操作带来不便,也给系统带来了功耗大、稳定性差和成本高等不足。基于上述问题和项目指标,本文在课题组前期以复合视频相机为接口的相机阵列测量技术基础上,提出了以mipi csi-2为图像采集接口,以FPGA和So C FPGA为核心,采用FIFO、DDR3、千兆以太网等多种技术的图像采集与传输系统,进一步实现了水下图像数据采集与传输的低功耗、轻量化,更好地满足了复杂水域中结构表观检测的需求。本文针对现存问题及项目指标提出了整体方案设计。通过分析测量目标特点建立测量模型、设计6×6相机阵列结构。综合考虑系统体积、功耗、数据传输带宽、扩展性等需求,设计了以2×2相机为基础图像采集单元的模组化结构,并采用由9组基础图像采集单元和主控端组成的两层结构实现6×6相机阵列的采集与传输,从而提升了系统的可扩展性和可维护性。基于整体方案的设计思路,本文对图像采集单元和主控端进行了研究和设计。基于mipi csi-2协议标准,设计了mipi csi-2数据收、发模块;研究了FPGA接口与mipi csi-2接口的电平兼容性解决方案,设计并制作了FPGA-mipi接口板;研究了图像传感器结构原理,设计了相机控制模块,实现了各个相机间毫秒级的同步采集;基于FIFO与DDR3对图像采集端的数据缓存功能进行设计,并采用乒乓操作实现数据的快速、无缝传输;设计了图像汇流模块,通过对四路图像进行田字形拼接实现了四路图像的汇流。主控端采用So C FPGA技术,设计了帧缓存模块和基于TCP协议的千兆以太网传输模块,实现了系统的控制与数据传输。本文对上述模块均进行了仿真及上板测试,经验证,各个模块逻辑功能正确,可实现数据的正确传输,符合设计预期。本文最后设计和搭建了原型验证平台,实现了整体系统功能测试。不仅通过对图像采集单元及主控端进行HDMI显示验证了各个模块逻辑功能的正确性,还对整个原型验证平台的最大传输性能进行了测试。整体实验结果表明,单个图像采集单元可满足4路640×480分辨率、8帧率的图像采集需求,图像采集单元及主控端图像显示正确,以太网传输速率可达716Mbps,在现有的硬件条件上,可完全满足9组图像采集单元共36路图像采集与传输的带宽需求。

关键词：水下相机阵列 mipi csi-2 SoC FPGA 图像采集与传输