FPGA VR摄像机第二版：实时拼接4K立体360度视频硬件详解

本文聚焦于FPGA VR相机的第二个迭代版本。相较于初代设计，新版摄像机性能大幅提升：它能够以30fps的帧率实时拍摄4K分辨率（3840 x 1920）的立体360度视频，并在设备端完成拼接与编码。除最终的H.264视频编码由NVIDIA Jetson TX2负责外，所有核心图像处理任务均直接在FPGA上高效执行。

第一版VR相机的外观与基础架构可参考其项目页面：https://hackaday.io/project/26974-vr-camera-fpga-stereoscopic-3d-360-camera。本文将深入解析第二版的硬件组成、数据处理流程与实现原理。

硬件组成

系统核心硬件清单如下：

• 友晶DE10-Nano开发板
• 8个Aptina AR0330摄像头模块（配备12毫米镜头卡口）
• 2块四摄像头接口PCB
• 1块NVIDIA Jetson TX2模块

相机的主要数据流遵循特定路径：多个摄像头捕获的图像首先通过摄像头接口PCB，传输至DE10-Nano开发板进行实时畸变校正、去马赛克以及初步图像拼接处理。处理后的彩色图像与用于深度计算的灰度图像，经由Parallel-to-CSI转换器，最终送入NVIDIA Jetson TX2完成立体拼接并编码为H.264格式视频流。

已实现功能模块

项目目前已成功开发并验证以下关键功能模块：

• 相机I2C控制
• 去马赛克模块
• 相机图像畸变矫正模块
• 摄像头接口PCB驱动与数据处理
• 灰度图像到单位像素的转换
• 基于3D图像的拼接、块匹配与光流算法

立体视觉拼接原理

如何从多个平面图像中构建出具有深度感的立体360度视频？系统采用了一种巧妙的图像分区与匹配策略。

首先，将每个摄像头捕获的灰度图像在水平方向上划分为三个垂直部分：左、中、右。每个部分恰好对应360度全景中的45度水平视场角。由于8个摄像头是均匀环形分布的，相邻摄像头间的视角差正好是45度。

假设我们按顺序观察三个相邻的摄像头A、B、C。那么，摄像头A所捕获图像的右三分之一区域、摄像头B图像的中心区域，以及摄像头C图像的左三分之一区域，在物理空间上指向的是完全相同的方向。如果拍摄的是无限远处的景物，这三个图像切片理应完全相同。

然而，为了在最终的VR视频中呈现立体深度，系统需要为左右眼提供有视差的图像。具体而言，当观看者面向该方向时，系统会使用摄像头C的左三分之一图像作为其右眼视图，同时使用摄像头A的右三分之一图像作为其左眼视图。当观看者头部向左转动时，其右眼看到的图像会从摄像头C的左三分之一，平滑过渡到摄像头B的左三分之一，从而创造出连贯且具有深度的沉浸式视觉体验。

开源项目地址

本项目的全部设计文件、源码与文档均已公开，可通过以下链接获取：

https://github.com/colinpate
https://github.com/colinpate/fpga-vr-remap

项目的机械结构CAD设计文件托管在Onshape平台：

https://cad.onshape.com/documents/e230395963de661bfa5c14c7/w/05d75a95b60ee2972e714205/e/a708f4a0d0e872dd361e0a75

该项目完整展示了利用FPGA进行低延迟、高吞吐量图像处理与实时视频拼接的硬核能力，为构建高性能360度立体视频采集系统提供了一套可参考的开源硬件方案。对嵌入式视觉、实时处理感兴趣开发者，可以关注云栈社区以获取更多深入的技术解析与实践资源。