FPGA及DSP技術下的實況視頻圖像處理多種算法探究

摘 要： 探討FPGA及DSP技術下的實況視頻圖像處理多種算法。在算法設計中，運用FPGA實現實況視頻圖像處理中的微處理器接口設計，對圖像數據實現簡單的預處理，有效利用DSP技術處理復雜的實況視頻圖像算法，并優化圖像處理中的邏輯控制，以便實現高速傳輸的圖像數據，提升圖像的實時處理效率。結果表明，實況視頻圖像處理算法中采用FPGA及DSP技術，可提升其低層信號預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。

關鍵詞： DSP技術； 實況視頻； FPGA技術； 圖像處理算法

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： 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

在現實信息化技術應用中，對實況視頻圖像處理多種算法進行設計時，必須確定系統的算法可以處理大數據量圖像信息，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技術設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，將會有很好的應用前景。

1 FPGA及DSP技術

1.1 技術原理

現場可編程的門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是在當前可編程器件基礎上發展的新產物[1?3]。在FPGA技術中，可基于邏輯單元陣列LCA進行設計，在FPGA內部配置可邏輯編程的CLB模塊，同時該技術又具備IOB輸入/輸出模塊、內部連線等，并確保在實際圖像處理中發揮應用價值[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，不僅有完整的系統操作指令，還包括有處理大量數字信號的器件[6]。同時，可以分開設置數據總線與地址總線，避免算法程序編輯中數據與指令的混淆，提升了圖像處理指令執行效率[7]。

1.2 技術優勢

FPGA技術有效克服了傳統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；還可以根據實際軟件設計需求重新配置內部邏輯功能，方便電路更改與維護[8?12]。DSP技術下，系統執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行速度[13]。使用DSP技術增加了系統設計器件靈活性[14]，其具有強大數據處理能力和高運行速度，體積很小，可對數字實況視頻圖像處理信號進行相應的修改、刪除與強化操作。

2 設計需求分析

實況視頻圖像處理算法中，對系統的體積以及功耗設計都有很高的要求；并且要確保圖像處理穩定性，需要提升實況視頻圖像處理算法計算精度，以滿足實際設計需求。本次實況視頻圖像處理算法設計中，系統主要由DSP子系統和FPGA子系統構成，以便保證快速穩定地處理大量實況視頻圖像數據流，并且還可以應用外擴SDRAM形式進行設計，實現算法之間DSP與FPGA大容量圖像處理數據的交換。在該算法設計中，需要確保DSP子系統能夠針對復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子系統設計中，需要確?？梢酝瓿蓪崨r視頻處理算法中對于CCD傳感器中預處理圖像數據的需求，提升算法通用性。

3 基于FPGA及DSP技術下設計多種實況視頻

圖像處理算法

3.1 總體結構

在實況視頻圖像處理算法中，采用DSP聯合FPGA技術結構的設計基礎，提升了設計中算法結構的靈活性，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計中，可以應用模塊化的設計方式，以便有效提高圖像處理算法的效率，縮短開發的周期。FPGA做邏輯控制，DSP做浮點算法，讓每個器件都發揮其作用；FPGA和DSP是兩項互補的技術。本次實況視頻圖像處理算法設計總體結構如圖1所示。

3.2 FPGA硬件設計

在該實況視頻圖像處理算法中，應用FPGA作為設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的阻礙，提升實況圖像處理過程中的數字器件功能，發揮實況視頻圖像處理質量。

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，取出其中奇數個數據并能夠進行相關排序；應用排序后數據的中值，取代要進行實況處理圖像的數據，可以得出圖像處理結果。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，應用DSP技術編程處理圖像，可以快速處理實況視頻圖像，并優化圖像處理算法流程，提升圖像處理的質量。

（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，則可以跳轉到最后一步，否則，返回上一步。如果SAD的最小的點就是當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軟件流水，而非常適合在DSP 上實現。

3.4 實況視頻圖像處理算法代碼實現

4 分析FPGA及DSP技術下算法應用效益

經驗證，基于DSP和FPGA設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，提升了其低層信號預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 論

綜上所述，基于DSP以及FPGA技術，設計實現實況視頻圖像處理的多種算法，能夠充分發揮FPGA技術的靈活性，提升DSP圖像處理運算的速度，也能發揮視頻圖像處理中尋址方式的靈活性優點，并更好地提高系統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。

參考文獻

[1] 張廷華，樊桂花.基于DSP和FPGA的視頻格式轉換[J].國外電子測量技術，2013（2）：57?59.

[2] 胡敏，黃旭偉.基于SOPC技術的視頻圖像處理系統研究[J].機械制造與自動化，2012，41（5）：153?155.

[3] 張衛國，王斌，陳宏燁，等.基于數字圖像處理技術的實況視頻圖像處理系統設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2011，34（3）：93?95.

[4] 蘇宛新，程靈燕，程飛燕.基于DSP+FPGA的實時視頻信號處理系統設計[J].液晶與顯示，2010，25（1）：145?148.

[5] 王厚，顧國華，錢惟賢，等.高速紅外視頻處理系統的設計研究[J].紅外技術，2013（7）：404?408.

[6] 常奇峰，王開福.基于DSP和FPGA的視頻采集實時處理系統設計[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2010，25（2）：107?109.

[7] 曲偉.一種基于高性能DSP的雷達視頻處理平臺[J].電子技術應用，2013，39（6）：124?126.

[8] 焦淑紅，關晨輝.實時視頻信號的Sobel邊緣檢測的FPGA實現[J].電子科技，2014，27（9）：62?64.

[9] 徐曉，謝時岳.面向視頻流的畸變矯正算法的FPGA實現[J].電視技術，2013，37（13）：53?55.

[10] 曾巒，宋勝利.基于DSP的圖像壓縮編碼器程序優化[J].計算機測量與控制，2010，18（3）：671?673.

[11] 劉小劍，楊敬寶，王闖.多核DSP實時圖像處理平臺設計與實現[J].航空計算技術，2015（1）：131?134.

[12] 舒志猛，陳素華.基于FPGA和DSP的高速圖像處理系統[J].現代電子技術，2012，35（4）：142?144.

[13] 呂雷，王明昌，秦金明.基于FPGA的多DSP紅外實時圖像處理系統[J].現代電子技術，2010，33（22）：97?99.

[14] 李佩斌，黃瑩，趙譽婷.基于DSP+FPGA的嵌入式圖像處理系統設計[J].現代電子技術，2014，37（20）：95?98.

[15] 王德勝，康令州.基于FPGA的實時圖像采集與預處理[J].電視技術，2011，35（3）：32?35.