面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統設計

摘要：在此設計出一種基于DSP+FPGA技術的面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統，以一種靈活的架構避免了幀間不同步方法對雙口RAM顯存的需求，既能夠保證圖像輸出質量，又有利于提升圖像處理的性能指標。系統以FPGA為核心，連接DSP和4片幀存，通過幀存的循環復用將緩存和顯存融合起來，省略了數據搬運的環節。當輸入幀頻小于輸出幀頻時，從系統總體的角度分析幀存的狀態轉換規律，當輸入幀頻大于輸出幀頻時，從單個幀存的角度分析幀存的狀態轉換規律，并蛤出了可編程邏輯設計的源程序，該方案已在產品中應用，通過升級能夠滿足更高的技術要求。
關鍵詞：異步視頻；圖像處理；嵌入式系統；FPGA；幀存切換

圖像處理系統輸入視頻信息，運行圖像處理算法，輸出處理后的圖像信號，實現目標檢瀏、跟蹤、識別等功能。系統的輸入和輸出常常是不同的視頻格式，二者由于幀頻的不同，處于異步的狀態。為了提高異步視頻時輸出畫面的質量，本文展開了深入的研究，設計出一種基于DSP+FPGA技術的面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統，提高了輸出圖像的視覺效果，結構簡潔，具有小巧靈活的優點。

1 異步視頻的處理方法
如果圖像處理系統的輸入為復合模擬視頻，幀頻25 Hz；輸出為XGA格式，幀頻60 Hz；一幅輸入畫面平均產生2．4次輸出畫面，此時系統處理的就是異步視頻，有3種處理方法：幀內不同步方法、幀間不同步方法和準同步方法。
(1)幀內不同步方法。輸出幀以輸入幀的幀頻進行切換，當一幀輸入數據準備好后，輸出幀就切換到新一幀的視頻數據，不管此時輸出幀進行到了哪個時刻。這種模式中輸入幀和輸出幀處于幀內的不同步狀態，即輸出幀的畫面可能由非同一幅輸入幀畫面組成。當相鄰的兩幀圖像存在較大差異(目標與傳感器有較高的相對運動)時，輸出幀的畫面會出現明顯的分界。例如視頻采集卡采集復合視頻信號在PC機監視器上顯示，動態畫面的分界清晰可辨。
(2)幀間不同步方法。把不同步局限在幀間的狀態，當一幀輸入數據準備好后，輸出幀不會立即切換到新一幀的視頻數據，而是根據輸出幀自身的時序做出選擇。只有當前輸出幀輸出完畢后，才會切換到新一幀的視頻數據，保證了輸出的每幅畫面都有一個對應的輸入畫面，不會出現2個輸入畫面拼接的狀況。如果一幅輸入畫面平均產生2．4次輸出畫面，那么某些輸入畫面顯示了2次，某些輸入畫面顯示了3次。原來在時間上均勻顯示的輸入畫面，在輸出時不再均勻。當輸入畫面中存在勻速運動的物體時，在輸出畫面中，物體會出現跳躍式的運動。這種顯示效果在大多數應用環境中肉眼難以覺察，是目前嵌入式圖像處理系統廣泛采用的處理異步視頻的方法。比較第一種方法，硬件設計的復雜度有所提高，但保證了用戶的觀測效果。
(3)準同步方法。輸出幀和輸入幀在一段時間上基本對應，接近同步的效果。雖然輸入和輸出的幀頻不同，但系統根據相鄰的輸入幀圖像的變化特點，生成一些中間幀，加入到輸出幀序列中，突出了輸出幀頻提高的顯示效果，能夠保持西面的連續性。這種方法多用于視頻格式轉換系統，其存儲器的空間要滿足幀速率轉換算法的要求。某些視聽大屏幕設備只轉換特定的幾種視頻格式，特殊的算法可使存儲器空間最小化，以利于降低成本。
圖像處理系統面對異步視頻時，非專用于視頻格式轉換目的情況下，實現幀間不同步的輸出效果即可。一般的解決方案是準備3幀數據空間的雙口RAM顯存，無論寫入速度多少，都能夠避免寫入和讀出的沖突。本文設計出一種基于DSP+FPGA技術的嵌入式圖像處理系統，以一種靈活的架構避免了顯存的需求，既能夠保證圖像輸出質量，又有利于提升圖像處理的性能指標。

2 嵌入式圖像處理系統
2. 1 功能架構
通常圖像系統中數據流環節依次為：輸入接口、FPGA、數據緩存、DSP、顯存等。其中顯存中的數據以幀為單位切換輸出，兩幀乒乓的方式只能用于同步狀態。本系統設計的功能架構如圖1所示，可以把緩存和顯存融合在一起，通過FPGA切換的方式免除數據搬運的過程。