FPGA+DSP架構的視頻處理系統設計詳解

　　本系統采用基于FPGA與DSP協同工作進行視頻處理的方案，實現視頻采集、處理到傳輸的整個過程。

　　實時視頻圖像處理中，低層的預處理算法處理的數據量大，對處理速度要求高，但算法相對比較簡單，適合于用FPGA進行硬件實現，這樣能兼顧速度及靈活性。高層的處理算法結構復雜，適用于運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強的DSP芯片宋實現。

　　DSP+FPGA架構的最大特點是結構靈活、有較強的通用性、適合于模塊化設計，從而能夠提高算法效率，同時其開發周期短、系統易于維護和升級，適合于實時視頻圖像處理。

　　系統采用模塊化的設計方法，將整個系統劃分為三部分：視頻采集單元、視頻處理單元和視頻傳輸單元。

　　整個系統以FPGA作為核心控制單元并完成視頻信號的中值濾波工作;以DSP作為整個系統的核心處理單元對采集的視頻圖像信息進行JPEG壓縮;在視頻傳輸單元設計了以PDIUSBD12芯片為基礎的USB總線，負責視頻信號的傳輸。

　　1系統硬件總體架構

　　一個完整的視頻處理系統，主要由視頻采集單元、視頻處理單元及視頻傳輸單元三部分組成。在進行系統設計時須確保各部分的無縫銜接。

　　圖像采集單元由FPGA和MB86S02視頻采集芯片組成，包括視頻信號的采集和預處理，把輸入的視頻信號轉換成系統能夠處理的數字圖像數據，并按照一定的格式存儲在確定的存儲區域。

　　圖像處理單元是本系統的核心，對圖像數據進行壓縮處理，實現系統要達到的功能。

　　圖像傳輸單元采用FPGA+USB的方式實現視頻數據的傳輸，通過基于PDIUSBD12芯片的USB總線，將壓縮后的視頻圖像信息發送到接收端，在接收端使用在PC上編寫的應用程序將圖像解壓縮并顯示出來。

　　整個硬件系統由FPGA和DSP兩個分系統組成，FPGA作為視頻采集單元，將采集到的視頻信號預處理后傳給DSP，DSP作為圖像處理單元是本系統的核心，對FPGA預處理后的視頻圖像信息進行JPEG壓縮處理，DSP單元的性能決定著整個系統的性能，DSP完成圖像處理任務后，將把結果返回給 FPGA，FPGA將經過壓縮處理后的圖像信息寫入接口控制芯片的數據緩沖區，由接口控制芯片負責信息的傳輸，系統總體框圖如圖1所示。

　　圖1系統總體結構圖

　　如圖1所示，MB86S02視頻圖像傳感器在FPGA的控制下進行視頻圖像信息的采集，在收到PC機的采集命令后MB86S02開始視頻信號的采集 FPGA作為系統的核心控制單元不僅負責視頻圖像的采集，而且負責視頻圖像信息的預處理和系統各單元模塊之間的數據交互。針對視頻圖像數據量大的特點，為了保證系統的實時性要求，系統采用大容量的片外SDRAMR對采集到的視頻圖像信息進行緩存，SDRAM控制器由FPGA實現，視頻圖像信息經過 SDRAM緩存后首先要由FPGA對其進行濾波處理，以消除圖像信息中的噪聲干擾，本系統中采用中值濾波的方式對采集到的視頻信息進行處理，濾波后的數據通過FPGA內部FIFO進入DSP進行下一步的壓縮處理。DSP上電后首先進行引導程序的自加載，等待FPGA發送請求，在收到FPGA的請求后，DSP建立EDMA通道從FPGA獲取視頻數據，存滿一幀后，開始對視頻圖像進行JPEG壓縮處理，壓縮處理后的視頻圖像信息經過FIFO緩存后，在 FPGA的控制下寫入USB接口控制器的數據緩存區，等待PC機的讀數請求，USB接口控制器在收到PC機的讀數請求后將數據寫入PDIUSBD12的端口1，以便PC機下一步讀取數據。

　　2系統軟件總體設計

　　系統的軟件設計根據硬件結構的總體劃分，也可以分為兩大部分來描述。整個系統的運行如圖2所示，FPGA和DSP各自的程序獨立運行，通過中斷信號完成數據的實時交互。FPGA向DSP方向的指令是通過FPGA發送一個EDMA請求，DSP通過響應EDMA請求，建立EDMA通道，開始從FIFO中進行預處理后數據的讀取，DSP向FPGA傳輸數據時，通過向FPGA發送一個中斷信號，讓其從FIFO中把壓縮后的圖像數據讀出來。

　　圖2系統軟件軟件流程圖

　　如圖2所示，整個系統工作流程可以簡單描述如下：系統上電后，首先DSP由flash實現自舉，并運行引導程序，之后轉入EDMA等待狀態，FPGA初始化后等待外部圖像采集命令，收到圖像采集命令后開始進行圖像采集，并對采集到的圖像進行預處理，預處理后的圖像經過FIFO緩沖，在存儲一定量的數據之后，FPGA通過半滿信號向DSP發送EDMA請求，等待DSP響應，DSP一旦收到來自FPGA的EDMA請求，立即建立EDMA通道，從FIFO中讀取數據到L2存儲器，存滿一幀圖像后DSP開始圖像壓縮，等待一幅圖像壓縮完成之后，DSP會向FPGA發送中斷信號，FPGA在收到中斷信號后開始從 FIFO中讀取壓縮后的圖像數據。一幀數據讀完后，判斷編碼信號是否有效，如果有效則按同樣的規則對下一幀圖像進行壓縮，如果無效則通知DSP結束。

　　3結論

　　本設計方案已經經過了硬件驗證，達到了預定的設計要求，實現了大數據量的實時處理。

　　系統體積僅為70×70mm，功耗小于5W，中值濾波速率平均20F/S，JPEG壓縮速率平均25F/s以上。不僅滿足了視頻處理系統的實時性要求，且體積小、功耗低，而且基于FPGA的可編程性，本系統具有良好的靈活性和擴展性。