隨著我們不斷以像素為單位捕獲生活快照，我們正在積累一系列軟件工具和設備來查看，編輯，存儲，個性化和共享我們的數(shù)碼照片。一個能夠可靠地提供所有這些功能的單一、易于使用的系統(tǒng)將簡化和增強照片制作過程。

來自北京交通大學信息科學研究所的一名學生設計工程團隊使用基于FPGA的可編程片上系統(tǒng)（SOPC）解決方案創(chuàng)建了一個便攜式多功能數(shù)碼相冊。雖然傳統(tǒng)的數(shù)碼相冊主要能夠存儲和顯示圖像，但這種動態(tài)原型還允許用戶直接即時編輯和個性化數(shù)碼照片，并通過互聯(lián)網(wǎng)將圖像傳輸?shù)剿麄兊募彝セ蜣k公室PC。

這張專輯的基礎(chǔ)技術(shù)包括一個高度集成的系統(tǒng)，其中包括FPGA中的嵌入式處理器。SOPC設計集成了圖像處理功能，壓縮，解壓縮，傳輸和接收。自上而下的 SOPC 設計流程（圖 1）幫助團隊大大縮短了設計周期。

圖 1：采用自上而下的嵌入式處理器開發(fā)流程的可編程片上系統(tǒng)（SOPC）設計可以提供靈活性并加快上市時間。

靈活的系統(tǒng)設計

使用SOPC生成器，設計團隊通過Avalon總線集成了應用程序的所有功能模塊。集成工具使團隊能夠快速構(gòu)建一個結(jié)合了軟件和硬件組件的穩(wěn)定系統(tǒng)。該開發(fā)平臺由 Altera DE2 開發(fā)和教育多媒體板組成，該板帶有旋風 II FPGA 和 Nios II 嵌入式處理器。

該團隊優(yōu)化了設計，以降低功耗，同時使用更少的設計資源。該團隊使用 Nios II 嵌入式處理器進行設計，使用自定義指令和外設來加速系統(tǒng)操作，從而增強了性能。

設計團隊還整合了適應未來增強功能和功能擴展的能力。例如，通過集成的通信接口，相冊可以將個性化的數(shù)字圖像發(fā)送到手機。

無需 PC 即可實現(xiàn)強大的處理能力

數(shù)碼相冊具有以下功能：

數(shù)碼照片存儲

利用開發(fā)板上的安全數(shù)字（SD）卡接口，該團隊將數(shù)據(jù)、需求和地址線從SD卡加載到Avalon總線，使嵌入式處理器能夠控制SD卡數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

數(shù)碼照片查看和回放

使用MicroC/FS嵌入式文件系統(tǒng)，相冊可以通知嵌入式處理器附加存儲介質(zhì)中可用的照片文件，因此用戶可以隨時查看其圖像。

特殊音樂效果

此功能使用壓縮的 G.729 代碼流作為音樂格式，并使用嵌入式實驗室解碼算法來播放選定的曲調(diào)。

照片格式壓縮和解壓縮

該團隊將JPEG解碼器模塊集成到嵌入式處理器中，使用解碼后的RGB數(shù)據(jù)進行所有處理，并將照片壓縮為JPEG格式以進行網(wǎng)絡傳輸。

數(shù)碼照片網(wǎng)絡傳輸

該存儲驅(qū)將網(wǎng)絡接收的 JPEG 代碼流傳輸?shù)?FPGA 進行處理。之后，相冊通過FPGA將處理后的照片數(shù)據(jù)壓縮為JPEG代碼流，并通過網(wǎng)絡傳輸這些流，允許用戶共享圖像。設計團隊創(chuàng)建了一個具有網(wǎng)絡功能的電路板，該電路板通過通用I/O引腳與FPGA連接（見圖3）。

圖 3：數(shù)碼相冊的硬件設計架構(gòu)包括網(wǎng)絡連接，以實現(xiàn)照片共享。

用戶界面

通過為開發(fā)板配備PS/2接口，設計團隊能夠?qū)⑹髽撕玩I盤功能加載到Avalon總線上，并修改板載電路，使嵌入式處理器能夠響應PS/2外設。

數(shù)字照片和音頻文件管理、照片編輯和處理以及水印嵌入和提取

嵌入式平臺提供了支持提供這些功能的軟件所需的處理資源。

系統(tǒng)硬件設計

相冊應用程序由以下模塊組成：

· SD 卡文件系統(tǒng)

· 鍵盤輸入

· 音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器

· 網(wǎng)絡控制器

· 液晶控制器

· 顯卡顯示器

· J 形編解碼器

· 圖像處理

· 音頻解碼

出于系統(tǒng)兼容性目的，設計人員使用SD卡作為照片和音樂的主要存儲介質(zhì)。為了獲得更快的讀/寫性能，在開發(fā)平臺上將單行SD卡讀取設置修改為四行模式。

鍵盤和鼠標模塊使用相同的協(xié)議。在每個周期中，數(shù)據(jù)線傳輸一些數(shù)據(jù)，時鐘線傳輸讀取的脈沖。這使設備能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，反之亦然。

盡管原型使用LCD顯示器，但設計團隊還創(chuàng)建了一個具有水平和垂直時間序列的VGA接口。SRAM存儲器用作圖像數(shù)據(jù)存儲器，顯示解壓縮和處理后的圖像。

系統(tǒng)軟件設計

MicroC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式處理器上運行，為數(shù)碼相冊應用提供軟件平臺。操作系統(tǒng)調(diào)度功能任務，作為集成多種功能的穩(wěn)定平臺。設計團隊選擇將 MicroC/OS-II 用于此應用，因為它具有效率、實時性能、小尺寸和可擴展性。

JPEG 編解碼器模塊轉(zhuǎn)換圖像格式。對于編碼，系統(tǒng)：

· 讀取位圖文件并將圖形信息存儲在數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)中

· 轉(zhuǎn)換顏色模型

· 將數(shù)據(jù)劃分為 8x8 塊

· 對每個 8x8 數(shù)據(jù)塊執(zhí)行離散余弦變換 （DCT） 逆變換、逆量化和解碼

· 利用讀取信息生成解碼所需的所有表

· 將數(shù)據(jù)存儲為 JPEG 文件

對于解碼，系統(tǒng)：

· 讀取 JPEG 文件并將圖形信息存儲在數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)中

· 利用讀取信息生成解碼所需的所有表

· 將數(shù)據(jù)劃分為 8x8 塊

· 對每個 8x8 數(shù)據(jù)塊執(zhí)行 DCT 逆變換、逆量化和解碼

· 轉(zhuǎn)換顏色模型

· 將數(shù)據(jù)存儲為位圖文件

通過這些過程，數(shù)字相冊補充了數(shù)碼相機，允許用戶直接和實時地查看和編輯存儲在相機中的照片。

隨時隨地編輯和共享

基于SOPC的設計方法為團隊提供了極大的靈活性，并使系統(tǒng)集成能夠縮短設計周期。使用多功能數(shù)碼相冊，攝影師擁有一個方便的系統(tǒng)，可以從幾乎任何位置輕松快速地處理他們的圖像。

審核編輯：郭婷