面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在此設(shè)計(jì)出一種基于DSP+FPGA技術(shù)的面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，以一種靈活的架構(gòu)避免了幀間不同步方法對(duì)雙口RAM顯存的需求，既能夠保證圖像輸出質(zhì)量，又有利于提升圖像處理的性能指標(biāo)。系統(tǒng)以FPGA為核心，連接DSP和4片幀存，通過(guò)幀存的循環(huán)復(fù)用將緩存和顯存融合起來(lái)，省略了數(shù)據(jù)搬運(yùn)的環(huán)節(jié)。當(dāng)輸入幀頻小于輸出幀頻時(shí)，從系統(tǒng)總體的角度分析幀存的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，當(dāng)輸入幀頻大于輸出幀頻時(shí)，從單個(gè)幀存的角度分析幀存的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，并蛤出了可編程邏輯設(shè)計(jì)的源程序，該方案已在產(chǎn)品中應(yīng)用，通過(guò)升級(jí)能夠滿足更高的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞：異步視頻；圖像處理；嵌入式系統(tǒng)；FPGA；幀存切換

圖像處理系統(tǒng)輸入視頻信息，運(yùn)行圖像處理算法，輸出處理后的圖像信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢瀏、跟蹤、識(shí)別等功能。系統(tǒng)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(tài)。為了提高異步視頻時(shí)輸出畫(huà)面的質(zhì)量，本文展開(kāi)了深入的研究，設(shè)計(jì)出一種基于DSP+FPGA技術(shù)的面向異步視頻的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，提高了輸出圖像的視覺(jué)效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，具有小巧靈活的優(yōu)點(diǎn)。

1 異步視頻的處理方法
如果圖像處理系統(tǒng)的輸入為復(fù)合模擬視頻，幀頻25 Hz；輸出為XGA格式，幀頻60 Hz；一幅輸入畫(huà)面平均產(chǎn)生2．4次輸出畫(huà)面，此時(shí)系統(tǒng)處理的就是異步視頻，有3種處理方法：幀內(nèi)不同步方法、幀間不同步方法和準(zhǔn)同步方法。
(1)幀內(nèi)不同步方法。輸出幀以輸入幀的幀頻進(jìn)行切換，當(dāng)一幀輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，輸出幀就切換到新一幀的視頻數(shù)據(jù)，不管此時(shí)輸出幀進(jìn)行到了哪個(gè)時(shí)刻。這種模式中輸入幀和輸出幀處于幀內(nèi)的不同步狀態(tài)，即輸出幀的畫(huà)面可能由非同一幅輸入幀畫(huà)面組成。當(dāng)相鄰的兩幀圖像存在較大差異(目標(biāo)與傳感器有較高的相對(duì)運(yùn)動(dòng))時(shí)，輸出幀的畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)明顯的分界。例如視頻采集卡采集復(fù)合視頻信號(hào)在PC機(jī)監(jiān)視器上顯示，動(dòng)態(tài)畫(huà)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(tài)，當(dāng)一幀輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，輸出幀不會(huì)立即切換到新一幀的視頻數(shù)據(jù)，而是根據(jù)輸出幀自身的時(shí)序做出選擇。只有當(dāng)前輸出幀輸出完畢后，才會(huì)切換到新一幀的視頻數(shù)據(jù)，保證了輸出的每幅畫(huà)面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸入畫(huà)面，不會(huì)出現(xiàn)2個(gè)輸入畫(huà)面拼接的狀況。如果一幅輸入畫(huà)面平均產(chǎn)生2．4次輸出畫(huà)面，那么某些輸入畫(huà)面顯示了2次，某些輸入畫(huà)面顯示了3次。原來(lái)在時(shí)間上均勻顯示的輸入畫(huà)面，在輸出時(shí)不再均勻。當(dāng)輸入畫(huà)面中存在勻速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，在輸出畫(huà)面中，物體會(huì)出現(xiàn)跳躍式的運(yùn)動(dòng)。這種顯示效果在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中肉眼難以覺(jué)察，是目前嵌入式圖像處理系統(tǒng)廣泛采用的處理異步視頻的方法。比較第一種方法，硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度有所提高，但保證了用戶的觀測(cè)效果。
(3)準(zhǔn)同步方法。輸出幀和輸入幀在一段時(shí)間上基本對(duì)應(yīng)，接近同步的效果。雖然輸入和輸出的幀頻不同，但系統(tǒng)根據(jù)相鄰的輸入幀圖像的變化特點(diǎn)，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(xù)性。這種方法多用于視頻格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其存儲(chǔ)器的空間要滿足幀速率轉(zhuǎn)換算法的要求。某些視聽(tīng)大屏幕設(shè)備只轉(zhuǎn)換特定的幾種視頻格式，特殊的算法可使存儲(chǔ)器空間最小化，以利于降低成本。
圖像處理系統(tǒng)面對(duì)異步視頻時(shí)，非專用于視頻格式轉(zhuǎn)換目的情況下，實(shí)現(xiàn)幀間不同步的輸出效果即可。一般的解決方案是準(zhǔn)備3幀數(shù)據(jù)空間的雙口RAM顯存，無(wú)論寫(xiě)入速度多少，都能夠避免寫(xiě)入和讀出的沖突。本文設(shè)計(jì)出一種基于DSP+FPGA技術(shù)的嵌入式圖像處理系統(tǒng)，以一種靈活的架構(gòu)避免了顯存的需求，既能夠保證圖像輸出質(zhì)量，又有利于提升圖像處理的性能指標(biāo)。

2 嵌入式圖像處理系統(tǒng)
2. 1 功能架構(gòu)
通常圖像系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流環(huán)節(jié)依次為：輸入接口、FPGA、數(shù)據(jù)緩存、DSP、顯存等。其中顯存中的數(shù)據(jù)以幀為單位切換輸出，兩幀乒乓的方式只能用于同步狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能架構(gòu)如圖1所示，可以把緩存和顯存融合在一起，通過(guò)FPGA切換的方式免除數(shù)據(jù)搬運(yùn)的過(guò)程。