CN107707962A - 一种实现视频帧数据与gps时间位置同步的方法和fpga - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA，包括：视频帧处理模块接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至数据合成模块，GPS信息生成模块接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至GPS信息组合模块，GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至所述数据合成模块，数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。本发明保证视频帧数据和GPS位置、GPS时间的绝对对齐，降低了摄像设备后端系统设计的复杂性。

Description

一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的方法和FPGA

技术领域

本发明涉及视频数据与GPS数据同步的领域，尤其涉及一种视频数据与GPS时间位置同步的技术。

背景技术

现有技术中，在高动态情况下，无法保证视频帧和GPS位置信息、GPS时间信息的精确同步，无法满足高动态情况下对图像数据同步的要求，例如，在自动驾驶领域，汽车上的摄像头在高速行进中所拍摄的路况信息的视频数据与拍摄所述视频数据这一刻的GPS时间信息和GPS位置信息的绝对同步是一大难题。

因此，如何提供一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的技术，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA。

根据本发明的一个方面，提供了一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA，其中，该FPGA包括：

视频帧处理模块，用于接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至数据合成模块；

GPS信息生成模块，用于接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至GPS信息组合模块；

GPS信息组合模块，用于将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至所述数据合成模块，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置；

数据合成模块，用于逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种在FPGA中实现视频帧数据与GPS时间位置同步的方法，其中，该方法包括：

所述FPGA的视频帧处理模块接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至所述FPGA的数据合成模块；

所述FPGA的GPS信息生成模块接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至所述FPGA的GPS信息组合模块；

所述FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至FPGA的数据合成模块，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置；

所述FPGA的数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明，自外部摄像头接收到的至少一帧视频帧数据，并将自GPS接收机接收的GPS时间信息和GPS位置信息模拟成对应的视频帧数据中的一行或者多行，获得一行或者多行GPS模拟行数据，将模拟成的所述一行或多行GPS模拟行数据插入至与所述GPS时间信息和GPS位置信息对应的一帧视频帧数据的预定行位置，保证接收机在接收到每一帧视频帧数据的同时能接收到该帧视频帧数据对应的GPS位置信息和GPS时间信息，保证视频帧数据和GPS位置、GPS时间的绝对对齐，降低了摄像设备后端系统设计的复杂性，只需在摄像设备前端增加本发明所述FPGA电路就可以实现视频帧数据和GPS位置时间的精确同步，从而实现高动态环境下的数据采集方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明一个方面的一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA的结构示意图；

图2示出按照ITU-BT601标准传输一帧视频帧数据至数据合成模块104的视频时序示例图；

图3示出根据本发明另一个方面的一种在FPGA中实现视频帧数据与GPS时间位置同步的方法的流程示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

后面所讨论的方法(其中一些通过流程图示出)可以通过硬件、硬件描述语言或者其组合来实施。

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

应当理解的是，当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。与此相对，当一个单元被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一单元时，则不存在中间单元。应当按照类似的方式来解释被用于描述单元之间的关系的其他词语(例如“处于...之间”相比于“直接处于...之间”，“与...邻近”相比于“与...直接邻近”等等)。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

还应当提到的是，在一些替换实现方式中，所提到的功能/动作可以按照不同于附图中标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两幅图实际上可以基本上同时执行或者有时可以按照相反的顺序来执行。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出根据本发明一个方面的一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA的结构示意图。所述FPGA包括：视频帧处理模块101、GPS信息生成模块102、GPS信息组合模块103和数据合成模块104。

视频帧处理模块101接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至数据合成模块104。具体地，视频帧处理模块101通过视频总线接受外部摄像头传入的标准视频帧数据，解析每一帧视频帧数据包括的行数，以及每行数据包括多少个像素，并按照预定好的顺序，将每一帧视频帧数据逐行发送至数据合成模块104。例如通过图2具体说明，视频帧处理模块101将一帧视频帧数据，逐行发送至数据合成模块104的过程，图2示出按照ITU-BT601标准传输一帧视频帧数据至数据合成模块104的视频时序示例图。其中，VSYNC表示帧同步信号，HSYNC表示行同步信号，HREF表示时钟信号，D[9:0]表示数据信号，如图2所示，例如一帧视频帧数据由240行数据组成，每行数据包括320个像素，每帧开始的时候帧同步信号拉高，帧结束的时候帧同步信号拉低；每行开始传输的时候，行同步信号拉高，传输结束的时候，行同步信号拉低；所有数据和控制信号、时钟上升沿对齐。

GPS信息生成模块102接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至GPS信息组合模块103。具体地，GPS接收机，例如为车载型接收机，对所接收到的GPS信号，进行变换、放大和处理，测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出GPS接收机的位置信息，速度信息和时间信息等GPS信息，GPS接收机通过串行口将包括GPS信息的串口信号，发送至GPS信息生成模块102，GPS信息生成模块102接收GPS接收机发送的所述串口信号，并从串口信号中的GPS信息中，解析出所述GPS信息中的GPS位置信息和GPS时间信息，将所述GPS位置信息和GPS时间信息发送至GPS信息组合模块103中。进一步地，GPS接收机不断的向GPS信息生成模块102发送GPS秒脉冲信号，用来指示整秒的时刻。

GPS信息组合模块103将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至所述数据合成模块104，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置。具体地，GPS信息组合模块103将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，其中所述预定行是预先设定的行数，即将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中预定行数的数据，所述预定行例如为预定一行数据或者预定多行数据，例如，预定行为3行，则GPS信息组合模块103将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成对应的一帧视频帧数据中的3行数据，作为对应的一帧视频帧数据中的一部分，则外部存储设备接收到的该帧视频帧数据的行数比原来增加3行；所述预定行位置标示出预定行数的GPS模拟行数据分别位于对应的一帧视频帧数据的第几行，如上例，预定行位置标示出所述3行数据分别位于该帧视频帧的第几行，例如，预定行位置为第1行，第130行，第150行。

所述GPS信息组合模块103获得所述GPS模拟行数据包括：将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息放置于GPS模拟行数据的预定数据位，并将多余数据位补零。例如，所述GPS模拟行数据总共有320位数据，预先设定GPS位置信息放置于所述视频帧数据的预定数据位A为第1-64位，GPS时间信息放置于所述视频帧数据的预定数据位B第65-96位，则将该行数据的多余数据位第97-320位补零。将所述GPS模拟行发送至所述数据合成模块104，数据合成模块104接收到所述GPS模拟行数据后，存储到FPGA的缓存中；或者当数据合成模块104发送视频帧的行数到达预先设置的行位置时，GPS信息组合模块103将所述GPS模拟行数据发送至所述数据合成模块104，数据合成模块104将所述GPS模拟行发送至外部存储设备作为正在发送的一帧视频帧数据中的一行。其中，预先设定该GPS模拟行数据在该视频帧中处于哪一行或者哪几行，其中，设定完成后，所述数据合成模块便获知所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中的预定行位置，若将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成多行数据，则所述多行数据在视频帧中的位置可以紧邻也可以分开，例如，处于最后一行，或者处于第一行，或者，处于倒数两行，或者，处于第121行和第242行等，其都可以预先进行设置。例如，若一帧视频帧数据包括240行数据，GPS信息组合模块103将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成一行数据时，获得GPS模拟行数据为一行数据，预先设定该一行GPS模拟行数据处于最后一行视频帧之后，即第241行时，当数据合成模块104发送完对应的视频帧数据的第240行后，将接收的所述GPS信息组合模块103发送的所述GPS模拟行数据，发送至外部存储设备中作为该帧视频帧数据的第241行，外部存储数据中存储的该帧视频帧数据的行数变为241行。

本领域技术人员应能理解，上述GPS位置信息放置于所述视频帧数据的位数和GPS时间信息放置于所述视频帧数据的位数，仅为举例，GPS位置信息和GPS时间信息可以放置于视频帧数据的其他位数，例如GPS位置信息放置于所述视频帧数据的第33-96位，GPS时间信息放置于所述视频帧数据的第129-160位。

数据合成模块104逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。具体地，数据合成模块104负责确定将一行视频帧数据还是将一行GPS模拟行数据发送至外部存储设备，起到选通的作用，当数据合成模块104发送的该帧视频帧数据的行数未达到预定行位置时，数据合成模块104不作处理，直接将视频帧处理模块101发送的数据通过标准视频格式发送到FPGA外部的外部存储设备，直至数据合成模块104发送的该帧视频帧数据的行数达到预定行位置时，发送预定在该行位置发送的一行GPS模拟行数据，发送完改该行GPS模拟行数据后，继续按照顺序逐行发送所述视频帧数据，若GPS信息组合模块103将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的多行的据，数据合成模块104发送的该帧视频帧数据的行数达到下一个预定行位置时，发送预定在该行位置发送的另一行GPS模拟行数据，继续按照顺序逐行发送所述视频帧数据，以此继续，直至该帧视频帧数据的所有行数据和该帧视频帧数据对应所有GPS模拟行数据全部发送完毕。在此，数据合成模块104逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据，一帧所述视频帧数据的所有行，以及预定行数的GPS模拟行数据发送完毕后，外部存储设备接收到的所述视频帧数据的行数为所述视频帧数据原先的行数加上GPS模拟行数据的行数所得到的和。

在此，所述FPGA将自外部摄像头接收到的至少一帧视频帧数据，并将自GPS接收机接收的GPS时间信息和GPS位置信息模拟成对应的视频帧数据中的一行或者多行，获得一行或者多行GPS模拟行数据，将模拟成的所述一行或多行GPS模拟行数据插入至与所述GPS时间信息和GPS位置信息对应的一帧视频帧数据的预定行位置，保证接收机在接收到每一帧视频帧数据的同时能接收到该帧视频帧数据对应的GPS位置信息和GPS时间信息，保证视频帧数据和GPS位置、GPS时间的绝对对齐，降低了摄像设备后端系统设计的复杂性，只需在摄像设备前端增加FPGA电路就可以实现视频帧数据和GPS位置时间的精确同步，从而实现高动态环境下的数据采集方法。

优选地，所述FPGA还包括缓存，所述缓存在所述数据合成模块发送所述GPS模拟行数据时，缓存所述视频帧数据中的下一行待发数据；在所述数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，将所述缓存中的待发数据继续交由所述数据合成模块转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。具体地，数据合成模块104逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，至所述预定行位置时，选择发送所述GPS模拟行数据，同时缓存视频帧数据中的下一行待发送的视频帧数据，其中，所述视频帧数据中的下一行待发送的视频帧数据为视频帧处理模块101在上一行视频帧数据发送完之后持续向数据合成模块发送的一行待发送数据，因已经到达预定行位置，优先发送GPS模拟行数据，将所述下一行待发送的视频帧数据存入缓存中，在所述数据合成模块104发送完所述GPS模拟行数据后，将所述缓存中的待发送的视频帧数据继续交由所述数据合成模块104转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。

例如，GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧中的预定行的数据，若所述预定行为一行，并且在视频帧数据中的行数为201行时，当数据合成模块104发送完200行后，发送该行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第201行，同时缓存视频帧数据中初始的第201行视频帧数据，在所述数据合成模块104发送完所述GPS模拟行数据之后，所述数据合成模块104从缓存中获取所述待发送的初始第201行视频帧数据，并发送至所述外部存储设备，同时将视频帧处理模块持续发送至数据合成模块104中的初始第202行数据放入缓存中，依此类推，初始视频帧数据从第200行之后，每一行视频帧数据都需要依次放入缓存中，然后再发送至外部存储设备中；若所述预定行为两行，并且在视频帧数据中的行数为紧邻的301行和第302行时，当到达所述预定行位置时，数据合成模块104发送所述GPS模拟行数据中的第一行至外部存储设备，当数据合成模块104发送完300行后，发送第一行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第301行，同时缓存视频帧数据中初始的第301行视频帧数据，在所述数据合成模块104发送完所述GPS模拟行数据之后，再发送第302行的数据，因为第302行也是预定行位置，数据合成模块104发送第二行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第302行，同时将视频帧处理模块持续发送至数据合成模块104中的，视频帧数据中初始的第302行视频帧数据存入缓存中，在第二行GPS模拟行数据发送完毕后，按照先进先出原则或者按照行数，从缓存中获取视频帧数据中的初始第301行视频帧数据，并发送至外部存储设备中，同时将初始第303行视频帧数据，存入所述缓存中，依此类推，之后每发送一行视频帧数据，便在缓存中按照先后顺序存入一行视频帧数据。若所述预定行为三行或者以上，便需要缓存三行或者三行以上视频帧数据。优选地，所述缓存还可以用来缓存所述GPS模拟行数据。

优选地，所述GPS信息生成模块102包括GPS帧解析模块1021、GPS位置信息寄存器1022和GPS时间信息寄存器1023；其中，所述GPS帧解析模块1021接收所述外部GPS接收机的GPS信息，从中解析出GPS位置信息并发送至所述GPS位置信息寄存器；GPS帧解析模块1021从GPS信息解析出GPS时间信息并发送至所述GPS时间信息寄存器；其中，所述GPS信息组合模块103将来自所述GPS位置信息寄存器1022的所述GPS位置信息和来自所述GPS时间信息寄存器1023的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。具体地，GPS帧解析模块1021接收所述外部GPS接收机的GPS信息，所述GPS信息至少包括GPS位置信息和GPS时间信息，GPS帧解析模块1021从所述GPS信息中解析出GPS位置信息，并将所述GPS位置信息发送至所述GPS位置信息寄存器，GPS帧解析模块1021从GPS信息解析出GPS时间信息，并将所述GPS时间信息发送至所述GPS时间信息寄存器，GPS信息组合模块103将来自所述GPS位置信息寄存器1022的所述GPS位置信息和来自所述GPS时间信息寄存器1023的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

优选地，所述GPS信息生成模块102还包括GPS秒脉冲处理模块1024和锁相环1025，其中，所述GPS时间信息寄存器1023还包括GPS时间周秒寄存器和GPS时间纳秒寄存器；其中，所述GPS秒脉冲处理模块1024根据所述外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，结合所述锁相环1025所发送的纳秒级时钟信号，生成GPS纳秒信息，并发送至所述GPS时间纳秒寄存器；其中，所述GPS帧解析模块1021从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述GPS时间周秒寄存器；其中，所述GPS信息组合模块将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。具体地，GPS信息生成模块102接收到GPS接收机发送的串口信息和秒脉冲PPS信息，其中所述串口信息中包括GPS信息，所述GPS信息中至少包括GPS时间信息和GPS位置信息，GPS帧解析模块1021自所述串口信息中解析出GPS时间周秒信息和GPS位置信息，然后将所述GPS时间周秒信息发送至GPS时间周秒寄存器，将GPS位置发送至GPS位置信息寄存器。因为GPS接收机发送的所述秒脉冲时间是会有延时的，为了精确授时，所述GPS秒脉冲处理模块1024将外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，跟锁相环1025发送的纳秒级时钟信号，进行处理，将所述秒脉冲信息精确至纳秒级别，生成GPS纳秒信息，并将所述GPS纳秒信息发送至所述GPS时间纳秒寄存器。例如，GPS信息生成模块102接收到秒脉冲信号时，发送至GPS秒脉冲处理模块1024，GPS秒脉冲处理模块1024结合振荡频率为1Ghz的锁相环1025将接收到的所述秒脉冲信号转化成等同的纳秒数，精确到纳秒级别，发送至所述GPS时间纳秒寄存器。所述GPS帧解析模块1021从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述GPS时间周秒寄存器，解析出GPS位置信息并发送至所述GPS位置信息寄存器，解析出GPS时间信息并发送至所述GPS时间信息寄存器，所述GPS信息组合模块将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

在此，所述GPS秒脉冲处理模块1024结合所述锁相环1025对接收的所述秒脉冲信号进行处理，将所述秒脉冲信号精确至纳秒级别，能够保证视频帧和GPS位置数据，时间数据的精确同步。

图3示出根据本发明另一个方面的一种在FPGA中实现视频帧数据与GPS时间位置同步的方法的流程示意图。

在步骤S301中，FPGA中的视频帧处理模块接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至FPGA的数据合成模块。具体地，在步骤S301中，FPGA中的视频帧处理模块通过视频总线接受外部摄像头传入的标准视频帧数据，解析每一帧视频帧数据包括的行数，以及每行数据包括多少个像素，并按照预定好的顺序，将每一帧视频帧数据逐行发送至FPGA的数据合成模块。例如通过图2具体说明，在步骤S301中，FPGA中的视频帧处理模块将一帧视频帧数据，逐行发送至FPGA的数据合成模块的过程，图2示出按照ITU-BT601标准传输一帧视频帧数据至FPGA的数据合成模块的视频时序示例图。其中，VSYNC表示帧同步信号，HSYNC表示行同步信号，HREF表示时钟信号，D[9:0]表示数据信号，如图2所示，例如一帧视频帧数据由240行数据组成，每行数据包括320个像素，每帧开始的时候帧同步信号拉高，帧结束的时候帧同步信号拉低；每行开始传输的时候，行同步信号拉高，传输结束的时候，行同步信号拉低；所有数据和控制信号、时钟上升沿对齐。

在步骤S302中，FPGA的GPS信息生成模块接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至FPGA的GPS信息组合模块。具体地，GPS接收机，例如为车载型接收机，对所接收到的GPS信号，进行变换、放大和处理，测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出GPS接收机的位置信息，速度信息和时间信息等GPS信息，GPS接收机通过串行口将包括GPS信息的串口信号，发送至FPGA的GPS信息生成模块，在步骤S301中，FPGA的GPS信息生成模块接收GPS接收机发送的所述串口信号，并从串口信号中的GPS信息中，解析出所述GPS信息中的GPS位置信息和GPS时间信息，将所述GPS位置信息和GPS时间信息发送至FPGA的GPS信息组合模块中。进一步地，GPS接收机不断的向FPGA的GPS信息生成模块发送GPS秒脉冲信号，用来指示整秒的时刻。

在步骤S303中，FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至FPGA的数据合成模块，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置。具体地，在步骤S303中，FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，其中所述预定行是预先设定的行数，即将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中预定行数的数据，所述预定行例如为预定一行数据或者预定多行数据，例如，预定行为3行，则在步骤S303中，FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成对应的一帧视频帧数据中的3行数据，作为对应的一帧视频帧数据中的一部分，则外部存储设备接收到的该帧视频帧数据的行数比原来增加3行；所述预定行位置标示出预定行数的GPS模拟行数据分别位于对应的一帧视频帧数据的第几行，如上例，预定行位置标示出所述3行数据分别位于该帧视频帧的第几行，例如，预定行位置为第1行，第130行，第150行。

在步骤S303中，所述FPGA的GPS信息组合模块获得所述GPS模拟行数据包括：将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息放置于GPS模拟行数据的预定数据位，并将多余数据位补零。例如，所述GPS模拟行数据总共有320位数据，预先设定GPS位置信息放置于所述视频帧数据的预定数据位A为第1-64位，GPS时间信息放置于所述视频帧数据的预定数据位B第65-96位，则将该行数据的多余数据位第97-320位补零。将所述GPS模拟行发送至所述FPGA的数据合成模块，FPGA的数据合成模块接收到所述GPS模拟行数据后，存储到FPGA的缓存中；或者当FPGA的数据合成模块发送视频帧的行数到达预先设置的行位置时，FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS模拟行数据发送至所述FPGA的数据合成模块，FPGA的数据合成模块将所述GPS模拟行发送至外部存储设备作为正在发送的一帧视频帧数据中的一行。其中，预先设定该GPS模拟行数据在该视频帧中处于哪一行或者哪几行，其中，设定完成后，所述数据合成模块便获知所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中的预定行位置，若将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成多行数据，则所述多行数据在视频帧中的位置可以紧邻也可以分开，例如，处于最后一行，或者处于第一行，或者，处于倒数两行，或者，处于第121行和第242行等，其都可以预先进行设置。例如，若一帧视频帧数据包括240行数据，在步骤S303中，FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成一行数据时，获得GPS模拟行数据为一行数据，预先设定该一行GPS模拟行数据处于最后一行视频帧之后，即第241行时，当FPGA的数据合成模块发送完对应的视频帧数据的第240行后，将接收的所述FPGA的GPS信息组合模块发送的所述GPS模拟行数据，发送至外部存储设备中作为该帧视频帧数据的第241行，外部存储数据中存储的该帧视频帧数据的行数变为241行。

本领域技术人员应能理解，上述GPS位置信息放置于所述视频帧数据的位数和GPS时间信息放置于所述视频帧数据的位数，仅为举例，GPS位置信息和GPS时间信息可以放置于视频帧数据的其他位数，例如GPS位置信息放置于所述视频帧数据的第33-96位，GPS时间信息放置于所述视频帧数据的第129-160位。

在步骤S304中，FPGA的数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。具体地，在步骤S304中，FPGA的数据合成模块负责确定将一行视频帧数据还是将一行GPS模拟行数据发送至外部存储设备，起到选通的作用，当FPGA的数据合成模块发送的该帧视频帧数据的行数未达到预定行位置时，FPGA的不作处理，直接将FPGA的发送的数据通过标准视频格式发送到FPGA外部的外部存储设备，直至FPGA的数据合成模块发送的该帧视频帧数据的行数达到预定行位置时，发送预定在该行位置发送的一行GPS模拟行数据，发送完改该行GPS模拟行数据后，继续按照顺序逐行发送所述视频帧数据，若FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息，模拟成视频帧数据中的多行的据，在步骤S304中，FPGA的数据合成模块发送的该帧视频帧数据的行数达到下一个预定行位置时，发送预定在该行位置发送的另一行GPS模拟行数据，继续按照顺序逐行发送所述视频帧数据，以此继续，直至该帧视频帧数据的所有行数据和该帧视频帧数据对应所有GPS模拟行数据全部发送完毕。在此，在步骤S304中，FPGA的数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据，一帧所述视频帧数据的所有行，以及预定行数的GPS模拟行数据发送完毕后，外部存储设备接收到的所述视频帧数据的行数为所述视频帧数据原先的行数加上GPS模拟行数据的行数所得到的和。

在此，所述该方法利用FPGA将自外部摄像头接收到的至少一帧视频帧数据，并将自GPS接收机接收的GPS时间信息和GPS位置信息模拟成对应的视频帧数据中的一行或者多行，获得一行或者多行GPS模拟行数据，将模拟成的所述一行或多行GPS模拟行数据插入至与所述GPS时间信息和GPS位置信息对应的一帧视频帧数据的预定行位置，保证接收机在接收到每一帧视频帧数据的同时能接收到该帧视频帧数据对应的GPS位置信息和GPS时间信息，保证视频帧数据和GPS位置、GPS时间的绝对对齐，降低了摄像设备后端系统设计的复杂性，只需在摄像设备前端增加FPGA电路就可以实现视频帧数据和GPS位置时间的精确同步，从而实现高动态环境下的数据采集方法。

优选地，该方法还包括：在所述数据合成模块发送所述GPS模拟行数据时，通过FPGA的缓存，将所述视频帧数据中的下一行待发数据进行缓存；在所述数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，将所述缓存中的待发数据继续交由所述数据合成模块转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。具体地，在步骤S304中，FPGA中的数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，至所述预定行位置时，选择发送所述GPS模拟行数据，同时缓存视频帧数据中的下一行待发送的视频帧数据，其中，所述视频帧数据中的下一行待发送的视频帧数据为FPGA的视频帧处理模块在上一行视频帧数据发送完之后持续向数据合成模块发送的一行待发送数据，因已经到达预定行位置，优先发送GPS模拟行数据，将所述下一行待发送的视频帧数据存入缓存中，在步骤S304中，FPGA的数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据后，将所述缓存中的待发送的视频帧数据继续交由所述FPGA的数据合成模块转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。

例如，GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧中的预定行的数据，若所述预定行为一行，并且在视频帧数据中的行数为201行时，当在步骤S304中，FPGA的数据合成模块发送完200行后，发送该行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第201行，同时缓存视频帧数据中初始的第201行视频帧数据，在FPGA的所述数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，所述FPGA的数据合成模块从缓存中获取所述待发送的初始第201行视频帧数据，并发送至所述外部存储设备，同时将视频帧处理模块持续发送至FPGA的数据合成模块中的初始第202行数据放入缓存中，依此类推，初始视频帧数据从第200行之后，每一行视频帧数据都需要依次放入缓存中，然后再发送至外部存储设备中；若所述预定行为两行，并且在视频帧数据中的行数为紧邻的301行和第302行时，当到达所述预定行位置时，在步骤S304中，FPGA的数据合成模块发送所述GPS模拟行数据中的第一行至外部存储设备，当在步骤S304中，FPGA的数据合成模块发送完300行后，发送第一行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第301行，同时缓存视频帧数据中初始的第301行视频帧数据，在FPGA的所述数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，再发送第302行的数据，因为第302行也是预定行位置，FPGA的数据合成模块发送第二行GPS模拟行数据至外部存储设备作为视频帧数据的新的第302行，同时将视频帧处理模块持续发送至所述数据合成模块中的，视频帧数据中初始的第302行视频帧数据存入缓存中，在第二行GPS模拟行数据发送完毕后，按照先进先出原则或者按照行数，从缓存中获取视频帧数据中的初始第301行视频帧数据，并发送至外部存储设备中，同时将初始第303行视频帧数据，存入所述缓存中，依此类推，之后每发送一行视频帧数据，便在缓存中按照先后顺序存入一行视频帧数据。若所述预定行为三行或者以上，便需要缓存三行或者三行以上视频帧数据。优选地，所述缓存还可以用来缓存所述GPS模拟行数据。

优选地，该方法包括：FPGA的GPS帧解析模块接收所述外部GPS接收机的GPS信息，从中解析出GPS位置信息并发送至所述GPS位置信息寄存器；FPGA的GPS帧解析模块从GPS信息解析出GPS时间信息并发送至所述GPS时间信息寄存器；其中，FPGA的GPS信息组合模块将来自所述FPGA的GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息和来自所述FPGA的GPS时间信息寄存器的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。具体地，FPGA的GPS帧解析模块接收所述外部GPS接收机的GPS信息，所述GPS信息至少包括GPS位置信息和GPS时间信息，FPGA的GPS帧解析模块从所述GPS信息中解析出GPS位置信息，并将所述GPS位置信息发送至所述GPS位置信息寄存器，FPGA的GPS帧解析模块从GPS信息解析出GPS时间信息，并将所述GPS时间信息发送至所述GPS时间信息寄存器，FPGA的GPS信息组合模块将来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息和来自所述GPS时间信息寄存器的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

优选地，该方法还包括：FPGA的GPS秒脉冲处理模块根据所述外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，结合所述锁相环所发送的纳秒级时钟信号，生成GPS纳秒信息，并发送至所述GPS时间纳秒寄存器；其中，FPGA的GPS帧解析模块从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述FPGA的GPS时间周秒寄存器；其中，FPGA的GPS信息组合模块将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。具体地，FPGA的GPS信息生成模块接收到GPS接收机发送的串口信息和秒脉冲PPS信息，其中所述串口信息中包括GPS信息，所述GPS信息中至少包括GPS时间信息和GPS位置信息，FPGA的GPS帧解析模块自所述串口信息中解析出GPS时间周秒信息和GPS位置信息，然后将所述GPS时间周秒信息发送至GPS时间周秒寄存器，将GPS位置发送至GPS位置信息寄存器。因为GPS接收机发送的所述秒脉冲时间是会有延时的，为了精确授时，所述FPGA的GPS秒脉冲处理模块将外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，跟FPGA内部的锁相环发送的纳秒级时钟信号，进行处理，将所述秒脉冲信息精确至纳秒级别，生成GPS纳秒信息，并将所述GPS纳秒信息发送至所述GPS时间纳秒寄存器。例如，FPGA的GPS信息生成模块接收到秒脉冲信号时，发送至FPGA的GPS秒脉冲处理模块，FPGA的GPS秒脉冲处理模块结合振荡频率为1Ghz的锁相环将接收到的所述秒脉冲信号转化成等同的纳秒数，精确到纳秒级别，发送至所述GPS时间纳秒寄存器。FPGA的GPS帧解析模块从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述GPS时间周秒寄存器，解析出GPS位置信息并发送至所述GPS位置信息寄存器，解析出GPS时间信息并发送至所述GPS时间信息寄存器，所述GPS信息组合模块将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

在此，FPGA的GPS秒脉冲处理模块结合FPGA内部的锁相环对接收的所述秒脉冲信号进行处理，将所述秒脉冲信号精确至纳秒级别，能够保证视频帧和GPS位置数据，时间数据的精确同步。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种实现视频帧数据与GPS时间位置同步的FPGA，其中，该FPGA包括：

视频帧处理模块，用于接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至数据合成模块；

GPS信息生成模块，用于接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至GPS信息组合模块；

GPS信息组合模块，用于将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至所述数据合成模块，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置；

数据合成模块，用于逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。

2.根据权利要求1所述的FPGA，其中，所述GPS信息生成模块包括GPS帧解析模块、GPS位置信息寄存器和GPS时间信息寄存器；其中，所述GPS帧解析模块用于：

接收所述外部GPS接收机的GPS信息，从中解析出GPS位置信息并发送至所述GPS位置信息寄存器；从中解析出GPS时间信息并发送至所述GPS时间信息寄存器；

其中，所述GPS信息组合模块用于：

将来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息和来自所述GPS时间信息寄存器的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

3.根据权利要求2所述的FPGA，其中，所述GPS信息生成模块还包括GPS秒脉冲处理模块和锁相环，其中，所述GPS时间信息寄存器还包括GPS时间周秒寄存器和GPS时间纳秒寄存器；其中，所述GPS秒脉冲处理模块根据所述外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，结合所述锁相环所发送的纳秒级时钟信号，生成GPS纳秒信息，并发送至所述GPS时间纳秒寄存器；

其中，所述GPS帧解析模块用于：

从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述GPS时间周秒寄存器；

其中，所述GPS信息组合模块用于：

将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的FPGA，其中，所述FPGA还包括缓存，所述缓存用于：

在所述数据合成模块发送所述GPS模拟行数据时，缓存所述视频帧数据中的下一行待发数据；

在所述数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，将所述缓存中的待发数据继续交由所述数据合成模块转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的FPGA，其中，所述GPS信息组合模块获得所述GPS模拟行数据包括：将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息放置于GPS模拟行数据的预定数据位，并将多余数据位补零。

6.一种在FPGA中实现视频帧数据与GPS时间位置同步的方法，其中，该方法包括：

所述FPGA的视频帧处理模块接收外部摄像头的视频帧数据，解析所述视频帧数据中的每行数据，并逐行发送至所述FPGA的数据合成模块；

所述FPGA的GPS信息生成模块接收外部GPS接收机的GPS位置信息和GPS时间信息，并发送至所述FPGA的GPS信息组合模块；

所述FPGA的GPS信息组合模块将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得GPS模拟行数据，并发送至FPGA的数据合成模块，其中，所述GPS模拟行数据在所述视频帧数据中具有预定行位置；

所述FPGA的数据合成模块逐行将所述视频帧数据中的每行发送至外部存储设备，直至所述预定行位置时，发送所述GPS模拟行数据，完成后继续逐行发送所述视频帧数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法还包括：

所述FPGA的GPS帧解析模块接收所述外部GPS接收机的GPS信息，从中解析出GPS位置信息并发送至所述FPGA的GPS位置信息寄存器；从中解析出GPS时间信息并发送至所述FPGA的GPS时间信息寄存器；

其中，所述FPGA的GPS信息组合模块将来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息和来自所述GPS时间信息寄存器的所述GPS时间信息模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该方法包括：

所述FPGA的GPS秒脉冲处理模块根据所述外部GPS接收机所发送的秒脉冲信息，结合所述FPGA中的锁相环所发送的纳秒级时钟信号，生成GPS纳秒信息，并发送至所述FPGA的GPS时间纳秒寄存器；

其中，所述FPGA的GPS帧解析模块从接收自所述外部GPS接收机的GPS信息中解析出GPS周秒时间信息，并发送至所述FPGA的GPS时间周秒寄存器；

其中，所述FPGA的GPS信息组合模块将来自所述GPS时间周秒寄存器的所述GPS周秒时间信息、来自所述GPS时间纳秒寄存器的所述GPS纳秒时间信息和来自所述GPS位置信息寄存器的所述GPS位置信息，模拟成视频帧数据中的预定行的数据，获得所述GPS模拟行数据。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，该方法包括：

在所述FPGA的数据合成模块发送所述GPS模拟行数据时，通过FPGA将所述视频帧数据中的下一行待发数据进行缓存；

在所述FPGA的数据合成模块发送完所述GPS模拟行数据之后，将所述缓存中的待发数据继续交由所述FPGA的数据合成模块转发至所述外部存储设备，并继续逐行缓存所述视频帧数据中接下来各行的待发数据。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述FPGA的GPS信息组合模块获得所述GPS模拟行数据包括：将所述GPS位置信息和所述GPS时间信息放置于GPS模拟行数据的预定数据位，并将多余数据位补零。