運用FPGA進行控制平面/數(shù)據(jù)平面視頻處理

　　圖2：向?qū)悠聊唤貓D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。FPGA參考設(shè)計不斷發(fā)展并已成為市場的焦點。在我們的案例研究中使用的參考設(shè)計具有完整的微處理器系統(tǒng)、存儲器、外設(shè)和720pHD數(shù)字信號處理流水線。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)建目標探測和高亮顯示模塊，讓整個系統(tǒng)具備功能所化的時間不到20個小時。

　　該處理器可以使用板卡支持包（BSP）提供的補充驅(qū)動程序來控制數(shù)據(jù)流水線。目前已有面向Linux的驅(qū)動程序，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I/O器件，然后針對該器件進行讀出或者寫入。

　　HD視頻識別系統(tǒng)案例研究

　　目標檢測和識別廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像和工廠自動化等行業(yè)。圖像的分辨率越高，目標識別的準確度越高。因此，對HD攝影機和相關(guān)的HD視頻流處理功能的需求較為強勁。我們的案例研究從這個問題（受一部著名的動畫電影啟發(fā)）出發(fā)：我們能否檢測并高亮顯示720pHD視頻流中的小丑魚？

　　該設(shè)計需要16位色譜，以便識別小丑魚的條紋圖案。一旦識別，小丑魚在屏幕上將被移動的聚光燈并高亮顯示。此外，聚光燈的大小經(jīng)設(shè)計后可以隨匹配的似然性而調(diào)整（實際上，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算以及為在每個像素位置搜索克隆魚所進行的比較，將需要大量的計算以使其工作于74.25MHz的時鐘周期。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總線接口控制負責(zé)接收視頻數(shù)據(jù)、探測小丑魚、高亮顯示小丑魚并輸出供顯示之用的視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理流水線。

　　因此，在本目標檢測和高亮顯示案例中，我們選擇50MHz的MicroBlaze嵌入式處理器來管理和控制74.25MHz的數(shù)據(jù)處理流水線，同時管理用戶界面。在免除了實際執(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、對數(shù)據(jù)處理流水線進行精細控制（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)議棧和用戶界面語言支持的理想選擇。圖3顯示了所實施系統(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)處理方式之間實現(xiàn)理想的平衡。

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