Xcell China 27 - (Page 11) 技 術 專 欄 圖像處理應用的 原型開發 圖像處理FPGA開發平台的系統設計挑戰 及解決方案 作者：Mike Hodson Image Processing Techniques Ltd. 總經理 烈，這種硬件平台必須具備高速I/O和存 儲器接口能力，以支持類似於圖1所示的 先進信號處理應用系統原型開發需要。 本文將探討用於圖像處理應用的 FPGA 開發平台設計需求及其處理能力。 許多圖像處理功能的核心單元。幀存儲 器可以實現用來實現很多功能，如多圖 像源同步、圖像縮放與操作、運動或對 象檢測及跟蹤、噪聲抑制和去隔行。 多視頻幀的存儲通常需要可按順序 存取的大容量存儲器。因此，通常使用 單倍數據速率或雙倍數據速率SDRAM。 但在一些圖像變換應用中，如源圖像透 視、旋轉或非線性“扭曲”，幀存儲器 架構通常是依靠更高速的同步靜態 RAM 來完成低延遲隨機存取操作（而不是使 SDRAM 的線性數據突發模式）。 在專業視頻系統設計中使用FPGA器件 已經有很長的歷史了。但在消費類電子 產品領域，由於成本的原因，FPGA的影 響一直不大。 近來，高清晰度平板顯示器、 MPEG-2/MPEG-4 編解碼器、便攜式視頻 播放器和數碼相機之類商品已經普及。 這類產品均需要強大的圖像處理能力。 在這些消費類電子產品中使用定制硅片 直到幾年前還是唯一明智的選擇，但隨 Xilinx® SpartanTM-3A DSP 和 VirtexTM-5 系 列等新一代FPGA器件的推出，FPGA對 ASIC或ASSP器件的性價比已經逐漸發生 改變，這種變化使得FPGA在消費電子領 域的應用出現顯著增長。 在圖像處理應用中使用FPGA平台給 系統設計人員提出了一些值得關註的問 題。對視頻圖像的分析和處理必然需要 很高的處理能力。由於軟件仿真的非實 時性限制，在圖像處理系統進行軟件 仿真往往無法為工程師提供足夠的信 息，以確定處理算法實際可以達到的性 能。因此，在圖像和視頻處理系統中使 用FGPA硬件原型開發平台的需求日漸強 所需單元 在考慮為圖像處理算法開發而設計 FPGA 平台時，有必要瞭解最常用圖像分 析方法所通用的主要單元，以及需要哪 些硬件資源來支持這些單元。 高速 I/O 圖像處理器的實時視頻信號輸入與輸 出顯然對系統的性能至關重要。通常， 圖像數據是通過專用接口或行業標準接 口，如 DVI、HDMI、SDI、模擬分量、S端 子或復合視頻接口， 同步輸入和輸出。 也可以通過處理器或背板總線如PCI、 VME將圖像異步地存入幀存儲器中。 最新一代串行總線接口，如 PCI Express具有實時傳輸多個無壓縮高清晰 度視頻流所需的足夠帶寬，而 Virtex-5 器 件內嵌的片上PCI Express接口和多個MGT 單元可以為視頻接口提供強大的輸入輸 出能力。 濾波和內插值 涉及對源圖像數據重採樣的應用還需 要對圖像進行內插值和濾波，以避免出 現頻譜混 。因此高效濾波器的設計非 常重要。於是Spartan-3A DSP 和 Virtex-5 器 件很有用，因為它們的 DSP Block 架構對 各種濾波器的有效實現都非常理想。 延遲單元 圖像處理算法通常需要大量延遲單 元。對於幾個像素的延遲，如用來均衡 流水線處理延遲或用於多相濾波器階延 時，Xilinx FPGA 中的 SRL16 單元效率很 高。Block RAM 因其雙端口架構而非常 適合做行延遲，例如在處理兩維的光柵 掃描圖像中的列數據的場合需要這種延 遲。 幀存儲器 用來臨時存儲圖像數據的幀存儲器是 ©2007 Xilinx Inc. 版權所有。XILINX、Xilinx 標誌以及本文件中包括的其他品牌名稱，是 Xilinx, Inc. 的商標。所有其他商標都是其各自所有者的財產。 2007年冬季刊 11
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