基于FPGA+ DSP的實時圖像處理系統設計與實現
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3. 2 FPGA 模塊
FPGA 是系統中實現圖像采集、圖像預處理、產生各種控制邏輯和時鐘信號的芯片， 系統選用的XC4VSX35芯片是V4 系列中專為數字信號處理進行了優化的一款FPGA。該芯片支持主串、從串、主SelecMt AP、從SelecMt AP和JTAG 邊界掃描四種加載模式。本系統選用主串模式和JTAG 邊界掃描模式。FPGA使用一塊50MHz的晶振作為其全局時鐘輸入， 依靠V4的片內數字時鐘管理器( DCM )可產生24MHz~ 500MH z的時鐘頻率。
在視頻信號輸入端， 由于PAL制式視頻采用了隔行掃描方式， 每幀圖像由奇、偶兩幀合成， 所以在FPGA 內部需配置一個雙口RAM 以存儲奇幀的圖像， 等待偶數幀進來之后再將兩場合成為一幀完整的圖像。雙口RAM 的大小及縱深比應根據算法的實際需要來調整。作為系統的協處理器， 圖像的預處理也是由FPGA 來完成。FPGA 與DSP 的數據交換有多種方式。對于圖像處理系統來說， 其交換的數據量大， 視頻的像素速率高。所以使用一塊雙口RAM作為FPGA 與DSP數據交換的橋梁， 兩塊芯片各控制一端的讀寫來完成數據的交換， 這樣既滿*換數據量大的要求， 又方便實現。雙口RAM 選用的是IDT70V631S， 存取周期12ns， 兩個端口有各自的地址總線、數據總線和讀寫控制。DSP和FPGA可以在各自連接的端口對其進行訪問和控制。
圖像實時處理系統一般是一個控制平臺中的一部分， 圖像處理系統的最終處理結果通過多通道緩沖串口由FPGA 轉接后傳至上位機， 而上位機控制命令也由串口傳至DSP。串口通信控制可以由FPGA編程實現， 也可以選用專門的芯片來實現， 為節省FPGA 片內資源， 串口通信控制使用串口通信控制芯片TL16CTL16C554實現。
3. 3 DSP模塊
DSP由于其計算精度高， 可完成結構復雜的圖像處理算法， 所以在系統中是核心處理器。本系統選用的DSP 芯片是TI生產的TMS320C6416 (簡稱C6416)， 其工作頻率最高達850MH z， 峰值處理速度達到了6800MSPS， 處理能力強大。DSP核心時鐘可通過設置CLKMODE0、1兩個引腳( pin)電位的高低來改變， 總共有BYPASS( x1)、x6、x12和x20四種模式。DSP 與FPGA 的數據交換通過雙口RAM( DPRAM)。雖然C6416片內集成了高達8M 位的片內高速緩存， 但考慮到圖像處理算法必涉及到對前后幾幀圖像進行處理， 為保證系統運行時存儲容量不會成為整個系統的性能瓶頸( choke point)， 在DSP模塊中額外擴展存儲空間。由于EM IFA 口的數據寬度更大， 因此系統在EM IFA 的CE1 空間內擴展了兩片總共128M 位的同步存儲器。 C6416的引導方式有三種， 分別是: 不加載， CPU 直接開始執行地址0 處的存儲器中的指令; ROM 加載， 位于EM IFB CE1空間的ROM 中的程序首選通過EDMA被搬入地址0處， ROM 加載只支持8 位的ROM 加載; 主機加載， 外部主機通過主機接口初始化CPU的存儲空間， 包括片內配置寄存器。本系統采用的是ROM 加載方式。C6416 片內有三個多通道緩沖串口， 經DSP處理的最終結果將通過DSP的多通道緩沖串口傳送至FPGA。
3. 4 圖像輸出模塊
該模塊的功能是將DSP 處理后的圖像數據進行數模轉換， 并與字符信號合成后形成VGA 格式的視頻信號。這里選用的數模轉換芯片為ADV7125。
這是AD I公司生產的一款三通道(每通道8 位)視頻數模轉換器， 其最大數據吞吐率330MSPS， 輸出信號兼容RS- 343A /RS - 170。由FPGA 產生的數字視頻信號分別進入到ADV7125的三個數據通道， 經數模轉換后輸出模擬視頻信號并與原來的同步信號、消隱信號疊加后便可以在顯示器上顯示處理的結果了。和圖像獲取部分一樣， 為避免其它電路的干擾， 圖像輸出部分也需要加上數據隔離芯片。
4 系統仿真驗證
圖像處理算法可分為預處理算法和后期的復雜算法。預處理算法主要包括圖像的校正、增強和簡單的分割等， 主要作用就是加強圖像的特征， 消除干擾和提取有用信息。這一類算法的特點是算法簡單但運算量大， 適合于FPGA 來完成。預處理后的圖像一般為二值圖像， 這樣一來圖像的冗余量就大大減少， 這樣后期的復雜算法在對圖像進行匹配、識別、跟蹤等操作時數據量就大大減少， 增加了算法的可行性。為驗證本硬件系統的有效性， 進行了大量仿真測試試驗， 圖2~ 圖5為橋梁識別的試驗結果。
其中， 圖3、圖4是FPGA 模塊上進行圖像增強與分割等預處理的測試結果。圖5 是基于DSP 的目標識別結果。
圖2 原始圖像 圖3 FPGA 圖像增強結果 圖4 FPGA圖像分割結果 圖5 基于DSP的目標識別結果
5 結 論
實時圖像處理系統以DSP和FPGA 為基本結構， 并在此結構的基礎上進行了優化， 增加了視頻輸入通路。同時所有的數據交換都通過了FPGA， 后期的調試過程證明這樣做使得調試非常方便， 既可以監視數據的交換又方便修正前期設計的錯誤。整個系統結構簡單， 各個模塊功能清晰明了。經后期大量的系統仿真驗證: 系統穩定性高， 處理速度快，能滿足設計要求。本文引用地址：http://www.104case.com/article/151070.htm
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