FPGA及DSP技術(shù)下的實況視頻圖像處理多種算法探究

摘 要： 探討FPGA及DSP技術(shù)下的實況視頻圖像處理多種算法。在算法設(shè)計中，運用FPGA實現(xiàn)實況視頻圖像處理中的微處理器接口設(shè)計，對圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)簡單的預(yù)處理，有效利用DSP技術(shù)處理復(fù)雜的實況視頻圖像算法，并優(yōu)化圖像處理中的邏輯控制，以便實現(xiàn)高速傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，提升圖像的實時處理效率。結(jié)果表明，實況視頻圖像處理算法中采用FPGA及DSP技術(shù)，可提升其低層信號預(yù)處理算法以及高層處理算法的處理速度，提升算法尋址靈活性，并提升20%的實況視頻圖像處理效率。

關(guān)鍵詞： DSP技術(shù)； 實況視頻； FPGA技術(shù)； 圖像處理算法

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0088?03

Abstract： Various live video image processing algorithms based on FPGA and DSP technology are discussed. In this algorithm design， the FPGA is used to design the microprocessor interface for live video image processing， and preprocess the image data simply； the DSP technology is used to process the complicated live video image algorithm， and optimize the logical control in image processing so as to realize the image data high?speed transmission and improve the real?time processing efficiency. The live video image processing algorithm based on FPGA and DSP technologies can increase the processing speed of the low?level signal preprocessing algorithm and high?level processing algorithm， improve the addressing flexibility， and increase the processing efficiency of the live video image by 20.0%.

Keywords： DSP technology； live video； FPGA technology； image processing algorithm

在現(xiàn)實信息化技術(shù)應(yīng)用中，對實況視頻圖像處理多種算法進行設(shè)計時，必須確定系統(tǒng)的算法可以處理大數(shù)據(jù)量圖像信息，這樣才能保證實況視頻圖像處理的實時性，這對視頻圖像運算的速度和對信息處理運算的種類綜合性處理方面提出了更高的要求。基于FPGA及DSP技術(shù)設(shè)計實況視頻圖像處理多種算法提升了實況視頻圖像處理算法處理效率，將會有很好的應(yīng)用前景。

1 FPGA及DSP技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

現(xiàn)場可編程的門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）是在當(dāng)前可編程器件基礎(chǔ)上發(fā)展的新產(chǎn)物[1?3]。在FPGA技術(shù)中，可基于邏輯單元陣列LCA進行設(shè)計，在FPGA內(nèi)部配置可邏輯編程的CLB模塊，同時該技術(shù)又具備IOB輸入/輸出模塊、內(nèi)部連線等，并確保在實際圖像處理中發(fā)揮應(yīng)用價值[4]。并且在實際使用FPGA時，能夠保證用戶重新對FPGA邏輯、I/O模塊進行配置，確保圖像處理算法邏輯滿足用戶需求[5]，提升算法程序編寫效率。DSP（Digital Singnal Processor）作為一種微處理器，不僅有完整的系統(tǒng)操作指令，還包括有處理大量數(shù)字信號的器件[6]。同時，可以分開設(shè)置數(shù)據(jù)總線與地址總線，避免算法程序編輯中數(shù)據(jù)與指令的混淆，提升了圖像處理指令執(zhí)行效率[7]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

FPGA技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)ASIC圖像處理中靈活性差的缺點，可以提高圖像處理的靈活性；還可以根據(jù)實際軟件設(shè)計需求重新配置內(nèi)部邏輯功能，方便電路更改與維護[8?12]。DSP技術(shù)下，系統(tǒng)執(zhí)行上一條算法指令的同時，也可以取出下一條的算法指令，提高軟件圖像處理過程中微處理器的執(zhí)行速度[13]。使用DSP技術(shù)增加了系統(tǒng)設(shè)計器件靈活性[14]，其具有強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，體積很小，可對數(shù)字實況視頻圖像處理信號進行相應(yīng)的修改、刪除與強化操作。

2 設(shè)計需求分析

實況視頻圖像處理算法中，對系統(tǒng)的體積以及功耗設(shè)計都有很高的要求；并且要確保圖像處理穩(wěn)定性，需要提升實況視頻圖像處理算法計算精度，以滿足實際設(shè)計需求。本次實況視頻圖像處理算法設(shè)計中，系統(tǒng)主要由DSP子系統(tǒng)和FPGA子系統(tǒng)構(gòu)成，以便保證快速穩(wěn)定地處理大量實況視頻圖像數(shù)據(jù)流，并且還可以應(yīng)用外擴SDRAM形式進行設(shè)計，實現(xiàn)算法之間DSP與FPGA大容量圖像處理數(shù)據(jù)的交換。在該算法設(shè)計中，需要確保DSP子系統(tǒng)能夠針對復(fù)雜的視頻圖像進行處理，并可以提供對實況視頻圖像的存儲功能；在FPGA子系統(tǒng)設(shè)計中，需要確?？梢酝瓿蓪崨r視頻處理算法中對于CCD傳感器中預(yù)處理圖像數(shù)據(jù)的需求，提升算法通用性。

3 基于FPGA及DSP技術(shù)下設(shè)計多種實況視頻

圖像處理算法

3.1 總體結(jié)構(gòu)

在實況視頻圖像處理算法中，采用DSP聯(lián)合FPGA技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)，提升了設(shè)計中算法結(jié)構(gòu)的靈活性，并且也可以確保提高實況視頻圖像處理算法的通用性。故此，在本次實況視頻圖像處理算法的設(shè)計中，可以應(yīng)用模塊化的設(shè)計方式，以便有效提高圖像處理算法的效率，縮短開發(fā)的周期。FPGA做邏輯控制，DSP做浮點算法，讓每個器件都發(fā)揮其作用；FPGA和DSP是兩項互補的技術(shù)。本次實況視頻圖像處理算法設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 FPGA硬件設(shè)計

在該實況視頻圖像處理算法中，應(yīng)用FPGA作為設(shè)計過程中的專用集成電路，不僅可以有效解決算法處理中應(yīng)用定制電路的不足，又可以有效克服原有圖像處理中可編程器件中有限門電路數(shù)的阻礙，提升實況圖像處理過程中的數(shù)字器件功能，發(fā)揮實況視頻圖像處理質(zhì)量。

3.3 實況視頻圖像處理算法

（1） 中值濾波算法

在該算法中，可以將每一個圖像像素點中的灰度值設(shè)置成和該點鄰域窗口中全部像素點灰度中值，以此來進行圖像處理。

具體的實現(xiàn)辦法：實況視頻圖像中，在處理某個采樣窗口時，取出其中奇數(shù)個數(shù)據(jù)并能夠進行相關(guān)排序；應(yīng)用排序后數(shù)據(jù)的中值，取代要進行實況處理圖像的數(shù)據(jù)，可以得出圖像處理結(jié)果。圖像處理情況如圖2所示。

如果需要處理的一幅實況視頻中圖像大小是N×N，則整個圖像處理過程的時間復(fù)雜度為O（M2）；若是圖像處理窗口較大，則計算的量也會很大，會浪費圖像處理的時間。故此，應(yīng)用DSP技術(shù)編程處理圖像，可以快速處理實況視頻圖像，并優(yōu)化圖像處理算法流程，提升圖像處理的質(zhì)量。

（2） 四步搜索算法

搜索匹配點組成一個菱形窗口，如圖3所示。

其中，對于初始9個匹配點中，分別是菱形4個頂點，以及4條邊中點，還有菱形中心點，計算出每個點的SAD值，然后選取出在SAD中值最小的點。若該點是本次搜索中的窗口中心，則可以跳轉(zhuǎn)到最后一步，否則，返回上一步。如果SAD的最小的點就是當(dāng)前的搜索窗口中心點C點，則進入最后的一步。四步搜索算法易于實現(xiàn)軟件流水，而非常適合在DSP 上實現(xiàn)。

3.4 實況視頻圖像處理算法代碼實現(xiàn)

4 分析FPGA及DSP技術(shù)下算法應(yīng)用效益

經(jīng)驗證，基于DSP和FPGA設(shè)計實況視頻圖像處理多種算法，滿足實況視頻圖像處理的實時性和功耗的設(shè)計需求，易于維護和升級，具備較強的通用性。實況視頻圖像處理算法中，基于FPGA及DSP技術(shù)，提升了其低層信號預(yù)處理算法以及高層處理算法的處理速度，提升算法尋址靈活性，提升實況視頻圖像處理效率達到20.0%。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于DSP以及FPGA技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)實況視頻圖像處理的多種算法，能夠充分發(fā)揮FPGA技術(shù)的靈活性，提升DSP圖像處理運算的速度，也能發(fā)揮視頻圖像處理中尋址方式的靈活性優(yōu)點，并更好地提高系統(tǒng)進行圖像處理過程中的集成度，降低圖像處理的功耗，有效滿足視頻實時性圖像處理的要求。

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