基于ZYNQ芯片的實時視頻處理系統設計

陳冠成 吳貴燕

關鍵詞： ZYNQ芯片; 視頻處理; 實時性; ARM處理器; FPGA; Vivado HLS

中圖分類號： TN948.4?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）06?0076?03

Abstract： The ARM+FPGA architecture of the Xilinx Zynq platform is studied， and a hardware and software co?processing real?time video processing system based on the ZYNQ chip is proposed in this paper. In the system， the ARM processor is used for the graphical interface program development， so as to realize task scheduling. The image processing algorithm is developed by using the Vivado HLS tool， which is integrated into the FPGA IP core to achieve the hardware acceleration processing. The data interaction in the DDR cache is realized by using the Xilinx Vdma IP. The test results show that the hardware and software co?processing system based on the ARM+FPGA can significantly improve the video processing speed， which satisfies the real?time requirement.

Keywords： ZYNQ chip; video processing; real?time performance; ARM processor; FPGA; Vivado HLS

隨著計算機視覺技術和電子技術的飛速發展，圖像視頻處理技術得到了迅速發展和廣泛應用，越來越多的計算機視覺應用可以在嵌入式系統上得以實現。傳統的嵌入式ARM視頻處理平臺存在計算能力有限、響應速度慢等問題[1];FPGA憑借并行結構獲得速度上的優勢，且功耗較低，但其使用硬件描述語言開發復雜圖像處理算法難度較大[2?3]。針對以上問題，本文采用Zynq?7000系列的ARM+FPGA可編程片上系統，運用軟硬件協同設計的方法搭建了圖像視頻采集與處理系統。

1 ?系統硬件電路框架

在ZYNQ芯片內，PS的互聯由多個開關組成，通過使用AXI點對點通道連接系統資源，用于在主設備和從設備之間實現通信地址、數據和響應交易。在ARM CPU和PL主設備控制器之間，該互聯結構的三種PS?PL接口（AXI_GP，AXI_HP，AXI_ACP）提供了低延遲、高吞吐量和緩存一致性的數據路徑[4]。

根據ZYNQ內部互聯結構設計視頻處理系統的FPGA硬件框圖如圖1所示。FPGA硬件框圖可以分為視頻捕獲、處理和顯示三個部分。

1） 視頻通過位于PS側的USB攝像頭進行捕獲，由于Linux內核帶有V4L2（Video for Linux）庫，而OpenCV在其基礎上封裝了VideoCapture類，因此可以方便地操作攝像頭捕獲視頻流。

2） 攝像頭獲得視頻流后存入DDR3緩存，并通過AXI_HP高速數據通道送入VDMA的MM2S端口，轉換為AXI4?Stream數據后進入PL端的HLS視頻處理IP進行處理。處理完成后再通過AXI_HP高速數據通道從VDMA的S2MM端口讀出，重新轉換為內存數據存入DDR3緩存。

3） 視頻顯示模塊以及為顯示模塊提供標準時序數據的VDMA均由Linux系統控制，負責圖形界面的輸出顯示。

2 ?系統軟件設計

2.1 ?嵌入式Linux系統搭建

為了在ARM處理器上進行圖形界面程序開發，需要進行嵌入式Linux系統的移植。首先在宿主機上安裝Xilinx SDK軟件開發套件搭建起交叉編譯環境，借助其中的交叉編譯鏈arm?xilinx?linux?gnueabi?gcc分別對裁剪后的U?Boot，Kernel（Linux內核）源碼進行交叉編譯，生成二進制可執行文件[5]。其次，使用Vivado設計套件進行可配置硬件電路開發。基于Xilinx IP核可以方便進行嵌入式Linux硬件系統的構建，其中主要包括ZYNQ7 IP，VDMA IP，AXI Display Controller IP等。在硬件電路設計通過驗證后即可生成用于PL初始化的比特流文件。最后，使用SDK工具制作系統啟動文件BOOT.bin。

2.2 ?VDMA驅動設計

Linux操作系統的內存空間分為內核空間和用戶空間兩個部分。前者運行操作系統的核心軟件，擁有訪問硬件設備的所有權限;后者運行普通應用程序，不能直接訪問內核空間和硬件設備。在基于ZYNQ的嵌入式操作系統下，應用程序是不能夠直接訪問FPGA中的硬件邏輯資源的。因而應用程序需要通過使用內核的應用程序編程接口或系統調用間接與FPGA硬件邏輯進行交互[6]。使用HLS[7]技術綜合而成的硬件加速IP屬于硬件邏輯資源，因此需要設計VDMA驅動程序，使應用程序方便控制HLS硬件邏輯資源。AXI VDMA結構框圖如圖2所示。通過圖2可知，VDMA驅動程序實質上是通過AXI4?Lite接口向VDMA IP中不同功能的寄存器進行賦值實現[8]。

2.3 ?應用軟件設計

通過移植Qt（圖形界面庫）及OpenCV[9]（計算機視覺庫），搭建視頻采集與顯示界面如圖3所示。

視頻流數據的處理流程圖如圖4所示。由流程圖可知，視頻圖像采集后，先進行軟件的預處理，接著通過VDMA的MM2S數據通道傳輸至HLS硬件加速IP進行處理，最后通過VDMA的S2MM數據通道返回用戶空間進行下一步處理。

3 ?系統測試及結果分析

為了對搭建的視頻處理系統進行功能及性能測試，對采集到的視頻圖像進行邊緣檢測，分別以軟件和軟硬件結合的方式予以實現。邊緣檢測是圖像處理中的基本問題，可以大幅度地減少數據量，保留圖像重要的結構屬性。這里實現的是Sobel[10]邊緣檢測算法，效果對比如圖5所示。

針對分辨率為640×480的視頻數據進行處理，獲得處理速度如表1所示。由表中結果可以看出，采用軟硬件結合設計方法實現的圖像處理算法效果不變，但是處理速度上有了很大提升。在本次圖像邊緣檢測實驗中，軟硬件協同處理與純軟件處理相比速度提高了10.98倍。

4 ?結 ?語

針對嵌入式視覺系統開發中ARM與FPGA傳統開發方案的缺點，本文提出基于ZYNQ芯片的實時視頻處理系統，不僅為視頻的采集、處理與顯示提供完整的實現方案，而且應用軟硬件協同設計方法，充分發揮ARM+FPGA體系結構對于實現復雜圖像處理算法的優勢，為進一步開發復雜功能的嵌入式視覺系統奠定了基礎。

參考文獻

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