利用FPGA的DSP功能提高圖像處理的實(shí)例分析

　　工程師團(tuán)隊(duì)考慮了多種因素，包括：

• 多種fpga系列的性能和特性
• 提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)(ip)內(nèi)核
• 多個(gè)供應(yīng)商的器件集成技術(shù)和業(yè)務(wù)能力
• 提供成熟的硬件和軟件開(kāi)發(fā)工具
• 供應(yīng)商支持資源的可靠性

　　分析了以上因素后，公司決定購(gòu)買在altera cyclone fpga中實(shí)現(xiàn)altera nios處理器的解決方案。fpga的功能如圖1所示。

　　設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換

　　決定使用altera的解決方案后，intevac必須確定現(xiàn)有的dsp軟件在多大程度上能夠?qū)氲絥ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個(gè)月的人工付出進(jìn)行前面的數(shù)字信號(hào)處理器軟件開(kāi)發(fā)，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在面臨的問(wèn)題是將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)處理器傳送至輸出，并沒(méi)有進(jìn)行視頻處理。fpga攝像機(jī)中的nios處理器具有不同的特性，只能通過(guò)rs-232串行通信協(xié)議與主機(jī)pc和視頻傳感器進(jìn)行通信。幸運(yùn)的是，nios處理器的軟件開(kāi)發(fā)直觀明了，通過(guò)使用nios開(kāi)發(fā)板，intevac在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)便建立了處理器和主機(jī)pc之間的通信。

　　新的fpga電路板在一個(gè)月內(nèi)完成，在這段時(shí)期內(nèi)，intevac繼續(xù)采用nios處理器開(kāi)發(fā)板編寫(xiě)、調(diào)試軟件代碼。intevac最初計(jì)劃采用數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(rtos)來(lái)管理復(fù)雜的視頻處理算法時(shí)序。由于nios處理器并不包括現(xiàn)成的rtos，軟件小組并不能確定是否能夠達(dá)到所有的時(shí)序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發(fā)現(xiàn)nios處理器的配置功能可以很好的控制信號(hào)時(shí)序，一般只需要對(duì)fpga設(shè)計(jì)稍做改動(dòng)便能夠達(dá)到目標(biāo)時(shí)序要求。同一fpga環(huán)境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)最佳控制和視頻處理任務(wù)。

　　fpga方案實(shí)現(xiàn)了定制化，提升了性能。進(jìn)一步的深入研究后，intevac開(kāi)始開(kāi)發(fā)定制功能和外設(shè)，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開(kāi)發(fā)一個(gè)處理器來(lái)提高性能，一般在一個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以做到這一點(diǎn)。硬件小組設(shè)計(jì)了一個(gè)定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的fifo模塊，以及專用dma控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流，避免了使用外部編碼器和fifo緩沖。此外，構(gòu)建了一個(gè)定制sdram控制器，使所有的視頻、屬性、nios處理器命令讀取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都可以使用同一存儲(chǔ)器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時(shí)鐘，因此，采用了fpga的板上pll，從一個(gè)主時(shí)鐘中產(chǎn)生三個(gè)不同的時(shí)鐘：第一個(gè)用于視頻編碼器，第二個(gè)用于sdram時(shí)序，第三個(gè)用于外部象素傳感器。

通過(guò)集成提高了性能

　　在實(shí)現(xiàn)了以前所用外部器件的功能以后，intevac還增加了最初dsp處理器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。加入了視頻測(cè)試模式生成器來(lái)仿真攝像機(jī)的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。加入的另一功能是統(tǒng)計(jì)生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性，以便進(jìn)行圖像增強(qiáng)和亮度處理。圖像統(tǒng)計(jì)生成器需要的數(shù)學(xué)運(yùn)算如果在軟件中實(shí)現(xiàn)，那么速度很慢。intevac使用了fpga中的邏輯資源來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器。

　　電路板制好后，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)便完成了開(kāi)發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)置，并在新板上運(yùn)行。后面的幾個(gè)月中，intevac在進(jìn)行硬件和軟件開(kāi)發(fā)的同時(shí)，進(jìn)一步調(diào)試、優(yōu)化了設(shè)計(jì)。雖然對(duì)處理器和fpga設(shè)計(jì)的其他部分進(jìn)行了多次修改，但是，并沒(méi)有影響電路板布板。最后，使用cyclone器件和nios軟核處理器，將五塊電路板縮減為一塊。這種集成方式減輕了攝像機(jī)重量，所需支持電壓由四個(gè)減少到兩個(gè)，功耗降低了近80％。使用相同的pcb設(shè)置，intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

采用altera無(wú)鉛產(chǎn)品輕松達(dá)到

　　altera在業(yè)界提供的無(wú)鉛產(chǎn)品范圍最廣，1200多個(gè)產(chǎn)品具有無(wú)鉛封裝。altera作為環(huán)境無(wú)污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商，2002年以來(lái)已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬(wàn)片無(wú)鉛產(chǎn)品。altera的無(wú)鉛器件符合eu directive在有害物質(zhì)使用限制(“rohs directive”)no.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(pb)、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴化聯(lián)苯(pbb)以及多溴化聯(lián)二苯(pbde)等。采用altera的pld集成非兼容的assp功能，可以輕松完成您的rohs轉(zhuǎn)換。

　　結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化后，intevac達(dá)到了自己的性能目標(biāo)，極大的降低了元件和生產(chǎn)成本，提高了nightvista的質(zhì)量和可靠性。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)上，該解決方案還增加了更多的功能。intevac在fpga中留出了邏輯資源，這樣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，能夠進(jìn)一步對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行更新。這一解決方案幫助intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，為今后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)節(jié)省了大量的時(shí)間和資源。