基于DSP+FPGA的嵌入式圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展的論文
引 言
伴隨著圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，圖像處理系統(tǒng)的性能需求也在不斷提高，特別是在實(shí)時(shí)性上的要求�；赑C或者工作站的圖像處理系統(tǒng)，常常不是一個(gè)可行的選擇，原因如下：應(yīng)用對(duì)處理時(shí)間要求苛刻；CCD攝像機(jī)數(shù)據(jù)量太大。另外，這類系統(tǒng)的資源有效利用率較低，體積大而笨重，功耗高，不適合便攜式應(yīng)用場(chǎng)合。
DSP是一種基于指令和代碼的流水線處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度，采用C/C++或者線性匯編語言編程，可以支持復(fù)雜的算法處理，而FPGA則屬于真正的并行架構(gòu)，不同的處理操作無需競(jìng)爭(zhēng)相同的資源，每個(gè)處理任務(wù)都可以不受其他邏輯塊的影響自主運(yùn)行，因此FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，其現(xiàn)場(chǎng)可編程的屬性也帶來了更大的`靈活性，但是，F(xiàn)PGA不擅長復(fù)雜的算法處理和邏輯控制。本文基于DSP+FPGA架構(gòu)構(gòu)建了一個(gè)嵌入式圖像處理系統(tǒng)，使得DSP和FPGA可以發(fā)揮各自的特長，協(xié)同處理，與單獨(dú)采用DSP或FPGA的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，且更靈活、更通用。
1.系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)采用DSP+FPGA架構(gòu)，原理方框圖如圖1所示，其中DSP芯片采用TI公司單核最高性能的TMS320C6455（簡稱C6455）芯片作為核心處理器，負(fù)責(zé)完成視頻圖像的復(fù)雜算法處理，F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列芯片EP3C55，F(xiàn)PGA作為DSP的協(xié)處理器，負(fù)責(zé)完成圖像的采集、顯示和傳輸?shù)容o助功能，使得DSP可以專注于算法處理。
DSP和FPGA之間通過32位EMIF接口實(shí)現(xiàn)了高速同步無縫互聯(lián)， 由圖1可知，本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器均采用DDR2 SDRAM，其中C6455所帶2片DDR2存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)圖像和算法數(shù)據(jù)，為C6455處理大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜算法提供了保證。FPGA所帶2片DDR2存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)捕捉的Camera圖像數(shù)據(jù)，以便VGA顯示和DSP讀取。FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)可通過EMIF和EDMA從FPGA所帶的DDR2存儲(chǔ)器搬運(yùn)到DSP所帶的DDR2存儲(chǔ)器。
圖1 系統(tǒng)方框圖
2.FPGA設(shè)計(jì)
本文FPGA的主要功能圍繞著DDR2存儲(chǔ)器的讀寫，如圖2所示。
圖2 FPGA的主要功能模塊圖
相機(jī)負(fù)責(zé)向緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，VGA顯示和DSP負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)。本文中的DDR2控制器工作于Full?rate模式下，需要向DDR2 driver提供2倍數(shù)據(jù)寬度，即64 b數(shù)據(jù)。本文對(duì)每個(gè)讀寫數(shù)據(jù)通道，使用獨(dú)立的FIFO進(jìn)行不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸。從CameraLink相機(jī)的LVDS接收器解碼得到8 b圖像數(shù)據(jù)，在向Write FIFO寫之前，需要按8 B進(jìn)行打包處理，合并為64 b數(shù)據(jù)；而發(fā)向VGA顯示的數(shù)據(jù)在從Read FIFO中讀出后，需要先經(jīng)過拆包處理，得到8 b圖像數(shù)據(jù)后才能送給VGA Controller；從Capture FIFO讀出的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP之前也要經(jīng)過拆包處理，將64 b數(shù)據(jù)拆為2個(gè)32 b數(shù)據(jù)后，才能發(fā)送給EMIFA，進(jìn)行傳輸。為方便可視化驗(yàn)證算法處理結(jié)果，DSP算法處理結(jié)果可以通過McBSP發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為可視的屏幕位置送給VGA Controller，在屏幕上進(jìn)行疊加顯示。
本系統(tǒng)應(yīng)用于近紅外圖像處理領(lǐng)域，采用的CameraLink相機(jī)輸出分辨率為1 024×768，幀率為30 f/s，而一般的液晶顯示器刷新頻率為60 Hz，為了將捕捉到的相機(jī)數(shù)據(jù)顯示出來，需要將30幀圖像插幀為60幀，但是顯示時(shí)鐘與相機(jī)時(shí)鐘并不是同源時(shí)鐘，其幀率并不是嚴(yán)格的兩倍關(guān)系，這種相機(jī)和顯示之間的異步時(shí)序關(guān)系如圖3所示，所以不能簡單地將一幀圖像顯示2次；同時(shí)，本系統(tǒng)的近紅外圖像算法處理時(shí)間根據(jù)圖像的不同而具有不確定性，并非每幀圖像都能在一個(gè)幀周期內(nèi)處理完成�；谶@兩個(gè)因素，本系統(tǒng)沒有采用常規(guī)的乒乓緩沖處理方式，而是采用了三重緩沖解決了這兩個(gè)問題。
圖3 相機(jī)和顯示的異步時(shí)序關(guān)系
所謂三重緩沖，也即在DDR2存儲(chǔ)器內(nèi)開辟了三個(gè)緩沖：BufferA，BufferB和BufferC。其中，讀寫操作各占一個(gè)緩沖區(qū)，第三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)作為中轉(zhuǎn)，先不考慮DSP從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)。
三重緩沖的示意圖如圖4所示，假設(shè)當(dāng)前緩沖區(qū)BufferA正在進(jìn)行寫操作，緩沖區(qū)BufferB正在進(jìn)行讀操作，緩沖區(qū)BufferC則有2種可能：已寫滿（FULL）和已讀完（EMPTY）兩個(gè)狀態(tài)。此時(shí)，如果需要進(jìn)行讀寫翻頁操作，即讀復(fù)位信號(hào)或?qū)憦?fù)位
信號(hào)有效時(shí)，DDR2驅(qū)動(dòng)程序可按不同情況給出不同的操作，如表1所示。
例如，當(dāng)讀復(fù)位信號(hào)有效，寫復(fù)位信號(hào)無效時(shí)，說明緩沖區(qū)BufferA尚未寫滿，而緩沖區(qū)BufferB已經(jīng)讀完，此時(shí)，需要查詢緩沖區(qū)BufferC的狀態(tài)，如果緩沖區(qū)BufferC處于“FULL”狀態(tài)，則讀緩沖區(qū)將由當(dāng)前的緩沖區(qū)BufferB改為緩沖區(qū)BufferC，并將緩沖區(qū)BufferB設(shè)置為“EMPTY”狀態(tài)；如果緩沖區(qū)BufferC處于“EMPTY”狀態(tài)，則將重新讀取緩沖區(qū)BufferB。
圖4 三重緩沖的示意圖
表1 三重緩沖的決策表
再考慮DSP從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)的情況，為保證DSP任意時(shí)刻開始讀數(shù)據(jù)，總能讀到最新的數(shù)據(jù)，本文使用圖像的場(chǎng)信號(hào)FVAL下降沿作為觸發(fā)，定位DSP讀數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址，如果在下一個(gè)FVAL下降沿之前DSP始終未開始讀數(shù)據(jù)，則在新的FVAL下降沿時(shí)刻重新定位緩沖區(qū)地址，反之，如果DSP開始讀數(shù)據(jù)了，即使在FVAL下降沿未能讀完，也會(huì)繼續(xù)讀，直到DSP讀完數(shù)據(jù)，再重新定位緩沖區(qū)地址，按本文設(shè)計(jì)的方案，DSP會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)完成讀數(shù)據(jù)任務(wù)，而如果在兩個(gè)FVAL內(nèi)，DSP一直未完成讀任務(wù)，則認(rèn)為發(fā)生了錯(cuò)誤，讀控制器會(huì)進(jìn)行復(fù)位矯正。
DDR2驅(qū)動(dòng)的讀寫控制以顯示的行信號(hào)HD為周期，周期性查詢是否需要進(jìn)行讀寫操作。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖如圖5所示。
圖5 DDR2讀寫控制的狀態(tài)機(jī)
SignalTap Ⅱ Logic Analyzer是Quartus Ⅱ自帶的嵌入式邏輯分析儀，與ModelSim軟件仿真有所不同，是在線式仿真，可以實(shí)時(shí)捕捉和顯示信號(hào)變化。圖6所示是本文用SignalTap Ⅱ捕捉到的數(shù)據(jù)波形。
圖6 SignalTap Ⅱ波形圖
3.C6455軟件設(shè)計(jì)
本文C6455的軟件基于TI提供的搶占式多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核DSP/BIOS進(jìn)行開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)部分使用了NDK開發(fā)套件，為了實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)和接收來自計(jì)算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，使用了面向無連接的UDP協(xié)議，相比TCP協(xié)議，UDP速度更快，更適合應(yīng)用。C6455軟件主要包含三個(gè)部分：實(shí)時(shí)性最高的硬件中斷線程（HWI）；采集線程和兩個(gè)任務(wù)線程（TSK）；處理線程和通信線程，流程圖如圖7所示。
圖7 C6455程序流程圖
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文提出的基于DSP+FPGA的圖像處理系統(tǒng)，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖8展示了本系統(tǒng)圖像處理算法連續(xù)運(yùn)行500個(gè)周期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖中實(shí)線為連續(xù)10個(gè)相鄰離散點(diǎn)的平均值。由圖8可見，本系統(tǒng)既可以使算法在超過一個(gè)圖像幀周期的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，又可以使連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)平均的執(zhí)行時(shí)間近似為圖像幀周期。本系統(tǒng)滿足了數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜度高的系統(tǒng)需求，相比乒乓緩沖，本文所提出的三重緩沖具有更快的響應(yīng)速度。
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