利用FPGA的DSP功能提高圖像處理的實(shí)例分析

intevac是商用和軍用市場(chǎng)光學(xué)產(chǎn)品的前沿開(kāi)發(fā)商。本文介紹該公司nightvista嵌入式電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品是高性能超低亮度緊湊型攝像機(jī)。該攝像機(jī)最初采用了流行的數(shù)字信號(hào)處理器、幾個(gè)assp和外部存儲(chǔ)器件。系統(tǒng)對(duì)性能的需求越來(lái)越高，工程師團(tuán)隊(duì)決定試驗(yàn)一種替代方案——在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)可配置軟核處理器。這一決定帶來(lái)了以下好處：

• 達(dá)到了目標(biāo)所要求的性能
• 在單個(gè)fpga中集成了分立的元件和數(shù)字信號(hào)處理(dsp target=_blank>dsp)功能
• 功耗降低了近80%
• 將五塊元件板縮減到一塊，顯著降低了成本
• 縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間

圖1 intevac nightvista攝像機(jī)中cyclone系列fpga功能框圖

　　dsp基于處理器的實(shí)現(xiàn)方法

　　nightvista電子系統(tǒng)的部分功能包括：

• 攝像機(jī)上電測(cè)試和初始化
• 視頻傳感校準(zhǔn)和表征
• 圖像增強(qiáng)管理的自動(dòng)增益控制
• 圖形、文本和水印屏顯示功能
• 實(shí)時(shí)自適應(yīng)對(duì)比度調(diào)整
• gamma校正、視頻停幀捕獲，并存儲(chǔ)至閃存
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
• 用戶定義的可編程預(yù)置配置
• 通過(guò)rs-232與主機(jī)pc進(jìn)行通信
• 攝像機(jī)功能和參數(shù)遠(yuǎn)程更新，攝像機(jī)至主機(jī)pc視頻數(shù)據(jù)傳送

　　intevac開(kāi)發(fā)nightvista電子產(chǎn)品的最初方法是采用數(shù)字信號(hào)處理器。除了處理器之外，還需要其他幾個(gè)主要部件，包括ntsc視頻編碼器、一個(gè)rs-232接口、多個(gè)鎖相環(huán)(pll)、實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能的cpld，以及幾個(gè)存儲(chǔ)器(fifo、sdram和閃存)。此外，這些部件需要四個(gè)不同的工作電壓(需要四個(gè)電源穩(wěn)壓器和不同的pcb板層)，四個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，以及各自的振蕩器和電源去耦電路?？傮w上，這些部件占用了五塊pcb，每一塊電路板大約兩平方英寸，堆疊在該攝像機(jī)兩英寸見(jiàn)方的外殼中。

　　硬件開(kāi)發(fā)了幾個(gè)月之后，大家清楚的認(rèn)識(shí)到該解決方案難以達(dá)到intevac為nightvista設(shè)定的性能目標(biāo)，重量和功耗令人難以接受。而且，由于高密度堆疊的pcb功耗很大，帶來(lái)了明顯的熱管理問(wèn)題。intevac決定中斷基于數(shù)字信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而采用基于fpga的混合邏輯和軟核微處理器方案。intevac并沒(méi)有使用集成微處理器可編程邏輯的經(jīng)驗(yàn)，但是一個(gè)使用altera演示板的評(píng)估方案很有吸引力，其最新的低成本fpga能夠?qū)⒁粋€(gè)完整的32位risc處理器和存儲(chǔ)器模塊、pll以及大量的邏輯資源集成到一起，實(shí)現(xiàn)專用視頻信號(hào)處理功能。在fpga中集成pll可以解決與電路板級(jí)多時(shí)鐘系統(tǒng)相關(guān)的大量問(wèn)題。