運(yùn)用FPGA進(jìn)行控制平面/數(shù)據(jù)平面視頻處理

　　圖2：向?qū)?dòng)屏幕截圖和已完成的系統(tǒng)。

　　第二種方法是調(diào)整現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì)。FPGA參考設(shè)計(jì)不斷發(fā)展并已成為市場(chǎng)的焦點(diǎn)。在我們的案例研究中使用的參考設(shè)計(jì)具有完整的微處理器系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、外設(shè)和720pHD數(shù)字信號(hào)處理流水線。因此，該系統(tǒng)相當(dāng)于一款完整的控制平面/數(shù)據(jù)平面解決方案。在該參考設(shè)計(jì)中，由處理器控制增益和流水線中的FIR濾波器。使用C-to-FPGA工具創(chuàng)建目標(biāo)探測(cè)和高亮顯示模塊，讓整個(gè)系統(tǒng)具備功能所化的時(shí)間不到20個(gè)小時(shí)。

　　該處理器可以使用板卡支持包（BSP）提供的補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制數(shù)據(jù)流水線。目前已有面向Linux的驅(qū)動(dòng)程序，可以讓處理器直接控制數(shù)據(jù)處理流水線。Linux調(diào)用包括從Linux應(yīng)用中打開(kāi)I/O器件，然后針對(duì)該器件進(jìn)行讀出或者寫(xiě)入。

　　HD視頻識(shí)別系統(tǒng)案例研究

　　目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像和工廠自動(dòng)化等行業(yè)。圖像的分辨率越高，目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確度越高。因此，對(duì)HD攝影機(jī)和相關(guān)的HD視頻流處理功能的需求較為強(qiáng)勁。我們的案例研究從這個(gè)問(wèn)題（受一部著名的動(dòng)畫(huà)電影啟發(fā)）出發(fā)：我們能否檢測(cè)并高亮顯示720pHD視頻流中的小丑魚(yú)？

　　該設(shè)計(jì)需要16位色譜，以便識(shí)別小丑魚(yú)的條紋圖案。一旦識(shí)別，小丑魚(yú)在屏幕上將被移動(dòng)的聚光燈并高亮顯示。此外，聚光燈的大小經(jīng)設(shè)計(jì)后可以隨匹配的似然性而調(diào)整（實(shí)際上，系統(tǒng)降低了聚光燈外的其他區(qū)域的圖像亮度）。聚光燈的尺寸變化和形狀計(jì)算以及為在每個(gè)像素位置搜索克隆魚(yú)所進(jìn)行的比較，將需要大量的計(jì)算以使其工作于74.25MHz的時(shí)鐘周期。顯然，這樣的處理要求大大超出了一般嵌入式處理器的能力。

　　在這種情況下，最好的解決辦法是把流數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)移到協(xié)處理器上。在FPGA內(nèi)部實(shí)施協(xié)處理器能夠以最低成本靈活構(gòu)建能夠滿足性能要求的解決方案。因此，基于FPGA的控制平面/數(shù)據(jù)平面架構(gòu)就是最佳的選擇。FPGA嵌入式處理可以通過(guò)總線接口控制負(fù)責(zé)接收視頻數(shù)據(jù)、探測(cè)小丑魚(yú)、高亮顯示小丑魚(yú)并輸出供顯示之用的視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理流水線。

　　因此，在本目標(biāo)檢測(cè)和高亮顯示案例中，我們選擇50MHz的MicroBlaze嵌入式處理器來(lái)管理和控制74.25MHz的數(shù)據(jù)處理流水線，同時(shí)管理用戶界面。在免除了實(shí)際執(zhí)行視頻處理的責(zé)任后，處理器可以處理許多其他的功能，比如托管以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信、管理圖形用戶界面、對(duì)數(shù)據(jù)處理流水線進(jìn)行精細(xì)控制（例如，逐幀增益控制）等。

　　諸如Linux這樣的操作系統(tǒng)是提供多任務(wù)功能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和用戶界面語(yǔ)言支持的理想選擇。圖3顯示了所實(shí)施系統(tǒng)的方框圖。該解決方案可以在高數(shù)據(jù)處理帶寬需求和用軟件控制數(shù)據(jù)處理方式之間實(shí)現(xiàn)理想的平衡。

　　圖3：小丑魚(yú)探測(cè)器控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)。