Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính thời sự của đề tài Nhìn lại sự phát triển máy ghi hình cách đây gần 40 năm, tức là vào tháng 12 năm 1975, một thợ chụp ảnh tên Steven Sasson đã khai sinh ra kỷ nguyên máy ảnh kĩ thuật số bằng tấm hình đầu tiên chụp tại phòng kĩ thuật của công ty Kodak [25]. Tuy nhiên, cũng phải đợi cho đến đầu thập niên 90 mới thật sự phát triển và được ứng dụng rộng rãi. Ngày nay trong rất nhiều các hệ thống, thiết bị sử dụng hàng ngày gắn thiết bị ghi hình như trên máy ảnh, điện thoại, máy tính, thiết bị giám sát… ngoài ra thiết bị ghi hình được ứng dụng trong một số lĩnh vực nghiên cứu công nghệ cao như chế tạo Robot, thiết bị dò đường, … với sự phát triển khoa học công nghệ trong nước và ngoài nước trong việc ứng dụng thiết bị ghi lại hình ảnh thì công nghệ xử lý của camera cũng cần phải được thay đổi để phát triển cùng với các ngành khoa học khác. Sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ yêu cầu không chỉ công nghệ chế tạo các chip camera ngày càng nâng cao mà còn đòi hỏi công nghệ xử lý dữ liệu hình ảnh về chất lượng cũng như tốc độ ghi hình cũng cần được cải tiến để đáp ứng trong những hệ thống như: Camera giám sát, hệ thống tự đông điều khiển,… đối với những yêu cầu của cảm biến hình ảnh không những chỉ về độ trung thực của hình ảnh thu được mà tốc độ ghi hình và thời gian xử lý ảnh cũng cần được đáp ứng nhanh để hệ thống có những điều khiển phù hợp.
Chính vì vậy, viêc thu và hiển thị hình ảnh tốc độ cao với quá trình thời gian thực là rất cần thiết. Hiện nay trên thị trường đã ứng dụng chip DSP cho việc tích hợp, tính toán tốc độ đã được cải thiện đáng kể, chi phí giảm đáng kể [4]. DSP trở thành xu hướng chính của các hệ thống ghi và xử lý hình ảnh. Việc sử dụng máy tính cho công nghệ xử lý hình ảnh kỹ thuật số có ý nghĩa thay đổi hướng đi cho công nghệ xử lý lưu trữ truyền thống tương tự trong thông tin kỹ thuật số.
Thay vì số hóa, công nghệ ghi lại hình ảnh và xử lý dần chuyển sang hướng kỹ thuật số. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ xử lý ảnh được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của thiết kế điện tử, công nghệ xử lý Trang | 5 hình ảnh kỹ thuật số đã đạt được những tiến bộ mang tính đột phá. Hệ thống thu thập hình ảnh thời gian thực đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong công nghệ đa phương tiện. Ngày nay, hầu hết các hệ thống thu thập hình ảnh với tốc độ thời gian thực và đã được sử dụng rộng rãi trong các điện thoại di động, PDA, điều khiển công nghiệp, thị giác máy, giám sát thời gian thực và các lĩnh vực khác.
Trong thập kỷ qua, sự phát triển nhanh chóng của FPGA (Field Programmable Gate Array) đã tạo ra hướng nghiên cứu, thiết kế ứng dụng vào việc thu thập hình ảnh thời gian thực. Hệ thống thu thập và hiển thị hình ảnh được thực hiện theo nguyên lý quét điểm ảnh từ cảm biến hình ảnh và xử lý tín hiệu rồi lưu tạm thời vào SDRAM, sau đó đọc dữ liệu từ SDRAM xuất ra màn hình. Quá trình đọc, ghi dữ liệu của SDRAM được diễn ra liên tục và hiển thị lên màn hình VGA tạo thành những video liên tục. Để thực hiện được hệ thống thu và hiển thị ảnh trên nền FPGA cần tìm hiểu và xây dựng, thiết kế các khối sau: − Khối xử lý trung tâm, sử dụng chip xử lý FPGA để thực hiện các lệnh điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến hình ảnh, đọc, ghi dữ liệu vào SDRAM và điều khiển hiển hình hình ảnh lên VGA.
− Khối thu thập dữ liệu hình ảnh, chính là khối cảm biến hình ảnh. Khối này có chức năng quét các điểm ảnh thông qua ống kính và mã hóa tín hiệu, gửi khung dữ liệu điểm ảnh tới khối xử lý trung tâm. − Khối lưu trữ dữ liệu tạm thời, khối này có nhiệm vụ lưu lại những điểm ảnh thu được từ bộ cảm biến ảnh, trong trường hợp này ta sử dụng bộ nhớ SDRAM để lưu lại tạm thời những dữ liệu ảnh thu được. − Khối hiển thị hình ảnh, khối này chỉ có nhiệm vụ hiển thị lại những hình ảnh thu được từ cảm biến, hình ảnh được hiển thị với kích thước khung hình theo chuẩn VGA 480x640 pixel.
Ngoài việc xây dựng, thiết kế các khối thực hiện chức năng cho hệ thống thu và hiển thị ảnh cần tìm hiểu về phần mềm lập trình cho phần cứng FPGA, Quartus II của hãng Altera.2 Hướng nghiên cứu của đề tài Hiện nay đã có một số hãng thiết kế chip xử lý đã hỗ trợ kỹ thuật điều khiển thiết bị bên ngoài bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên phần cứng FPGA, do đó giúp giảm sự phức tạp phần cứng trong thiết kế số. Hơn nữa, FPGA hỗ trợ thực hiện xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Các tính năng quan trọng nhất của FPGA là hiệu suất tốc độ cao, kiểm soát tốc độ hoạt động và hoạt động của các hệ thống phần mềm theo cách thức rõ ràng. FPGA xử lý tín hiệu kỹ thuật số là một giải pháp tốt cho xử lý số lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao.
FPGA cho tính năng cấu hình, tạo thành hệ thống DSP dễ dàng để kiểm tra và sửa đổi. Ngày nay, việc sử dụng FPGA thay thế cho hệ thống DSP đã được phát triển phổ biến cho các hệ thống kỹ thuật số, xử lý với công nghệ mới phát triển được thể hiện như. (1) Hiệu quả: nhà sản xuất thiết bị chính tiếp tục bổ sung các thư viện cốt lõi. Thiết kế có thể tận dụng lợi thế của việc thử nghiệm và tối ưu hóa để đảm bảo tính chính xác của hệ thống.
Đây là giải pháp cho hoàn thành thiết kế các hệ thống phức tạp trên chip, để cải thiện tính chính xác và hiệu quả của việc thiết kế. (2) Mức tiêu thụ điện năng thấp: ứng dụng phát triển sản phẩm di động, thiết bị lập trình yêu cầu tiêu thụ điện năng thấp. Việc thiết kế Chip đang chuyển theo hướng phát triển công suất thấp (3) Hệ thống on-chip: sự phát triển của công nghệ làm cho các hệ thống có thể được tích hợp trên chip.3 Tổng quan về hệ thống thu và hiển thị ảnh 1.1 Tổng quan về các thiết bị logic lập trình Ngày nay khoa học kỹ thuật trên thế giới liên tục phát triển, mà lĩnh vực điện tử luôn chiếm vị trí hàng đầu. Bước khởi đầu mang một ý nghĩa quan trọng, đó là sự ra đời của linh kiện chất bán dẫn chính là tiền đề cho hướng phát triển công nghệ điện tử.
Với xu hướng phát triển đó thì việc tích hợp linh kiện bán dẫn trong một đơn thể (IC) ngày càng được chú trọng, nhằm đáp ứng sự phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, cũng như những ứng dụng thực tế. Trang | 7 Khi xuất xưởng, các IC thường được tích hợp sẳn với những chức năng riêng biệt, khi đó người sử dụng phải chọn lựa linh kiện sao cho việc thiết kế mạch hiệu quả nhất. Nhưng do độ tích hợp của IC cũng có giới hạn, và để linh hoạt hơn trong việc thực hiện những chức năng của người thiết kế, cũng như mối quan hệ mật thiết giữa nhà sản xuất và người sử dụng, cụ thể là tối ưu hóa khả năng ứng dụng của IC, nhà sản xuất đã cho ra một loại linh kiện đặc biệt mà chức năng của nó sẽ được người thiết kế quy định chứ không phải là nhà sản xuất. Linh kiện đó được gọi chung là PLD (Programmable Logic Device - Thiết bị logic lập trình được).
Chúng ta sẽ khảo sát linh kiện PLD qua các IC cụ thể như PAL (Programmable Array Logic devices), GAL (Generic Array Logic devices). Các IC PAL, GAL với độ tích hợp rất cao nên có thể thay thế hầu hết các loại IC TTL. Điều quan trọng trong những IC này là chức năng của nó sẽ được người thiết kế quy định cho chính những ứng dụng sao cho kinh tế và hiệu quả nhất. Để thực hiện được việc thiết kế những ứng dụng trên IC PAL GAL.
đòi hỏi người sử dụng cần phải kết hợp kiến thức cả về kỹ thuật số lẫn các ngôn ngữ lập trình cho thiết bị. PLD thuộc họ bộ nhớ hàm (Funtion Memory). PLD có dung lượng tương đối lớn, có kết cấu đơn giản nhất trong các linh kiện logic. Thông thường PLD cho phép người thiết kế tạo cho nó những chức năng riêng biệt, bởi khi xuất xưởng nhà sản xuất chưa tạo cho nó một ứng dụng nào.
Cấu trúc mạch bên trong của một PLD thường là một chuỗi hình chữ nhật gồm những phần tử giống nhau (Identical Cell - ô nhớ đồng dạng). Hai mảng AND - OR có thể lập trình được nhờ tập hợp ngẫu nhiên các cổng logic và phần tử nhớ (OLMC-Output Logic Macro Cell). PLD là mạch tích hợp của “SSI and MSI’ nên tính năng họat động của PLD linh hoạt, dễ sử dụng, dễ thiết kế và diện tích mạch giảm đáng kể so với việc thiết kế mạch bằng các IC rời chứa các cổng logic. Khi dùng PLD việc thiết kế dễ dàng nhanh chóng nhờ nó có những phần mềm chuyên dụng đảm nhiệm, làm cho công việc thiết kế logic đơn giản hơn.
Ta cũng dễ dàng sửa lỗi chương trình, bổ sung, thay đổi cấu hình thiết kế bên trong để thực hiện Trang | 8 một chức năng ứng dụng khác. Công nghệ linh kiện PLD sản xuất bằng EECMOS (Electrically Erasable CMOS) tạo khả năng lập trình lại nhiều lần với tốc độ cao, công suất tiêu tán thấp, phương pháp lập trình đơn giản, giá thành thấp hơn mạch rời tương đương.2 FPGA và các ưu, nhược điểm 1.1 Sơ lược về FPGA Field Programmable Gate Array (FPGA) [7], [10], [11] là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận: • Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) • Hệ thống mạch liên kết lập trình được • Khối vào/ra (IO Pads) • Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý.