基于DSP+FPGA+ASIC的實(shí)時(shí)圖像處理架構(gòu)設(shè)計(jì)

1．引言

　　隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的快速發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高幀頻、高分辨率、高可靠性及微型化，在目標(biāo)跟蹤、智能交通監(jiān)控中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，并向更加廣泛的軍事及民用領(lǐng)域擴(kuò)展。實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)一般會(huì)包括非均勻校正、圖像增強(qiáng)、圖像分割、區(qū)域特征提取、目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤等不同層次的實(shí)時(shí)圖像處理算法，由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，因此實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。目前有些紅外圖像處理系統(tǒng)使用FPGA實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)[1]，運(yùn)算速度快，但對(duì)于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)難度比較高，且靈活性差。大多數(shù)紅外圖像處理系統(tǒng)則采用DSP+FPGA的硬件架構(gòu)[2]，其中DSP負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)圖像處理算法，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種接口電路，但諸如圖像多級(jí)濾波等處理算法復(fù)雜度高，只使用DSP處理會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，一般采用并行多DSP系統(tǒng)以滿足實(shí)時(shí)性要求[3]，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，體積和功耗也不好控制，實(shí)現(xiàn)成本高。因此需要在硬件結(jié)構(gòu)上合理分配處理任務(wù)，比如FPGA可以完成輸入圖像的預(yù)處理工作，減輕DSP的負(fù)擔(dān)，本實(shí)驗(yàn)室自主研制的ASIC芯片可以對(duì)輸入紅外圖像進(jìn)行多級(jí)濾波處理，進(jìn)一步解放DSP。本文針對(duì)紅外圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，提出了基于DSP+FPGA+ASIC的圖像處理架構(gòu)。

　　2．實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)

　　由于實(shí)時(shí)紅外小目標(biāo)檢測(cè)算法的前端處理數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且算法復(fù)雜度高，我們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要保證靈活性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的算法，同時(shí)又要保證高速處理能力，因此實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)采用DSP+ FPGA+ASIC的架構(gòu)來(lái)滿足設(shè)計(jì)的要求。其中，DSP具有高度的可編程性，可以完成比較復(fù)雜的任務(wù)。FPGA的處理速度稍遜于ASIC，但具有一定的靈活性，它可以實(shí)時(shí)接收紅外小目標(biāo)檢測(cè)算法前端的數(shù)據(jù)，完成輸入圖像的一些預(yù)處理工作。ASIC芯片處理速度快、性能強(qiáng)且可靠性好，可以完成圖像濾波等特定的任務(wù)。

　　一種實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

FPGA采用ALTERA公司的Stratix系列的EP1S10芯片。該芯片提供多達(dá)10,570個(gè)邏輯單元（LEs），存儲(chǔ)器容量為920,448016 bits，同時(shí)提供了高速DSP模塊以及乘法器，專用乘法器適合于作協(xié)處理器，可以分擔(dān)DSP復(fù)雜和耗時(shí)的算術(shù)運(yùn)算，提升系統(tǒng)的性能。

　　DSP選用TI公司的TMS320C6414芯片[4]。該芯片主頻為600MHz，數(shù)據(jù)處理能力峰值可達(dá)4800MIPS（每秒48億條指令）。由8個(gè)相互獨(dú)立的功能單元構(gòu)成。包含兩組通用寄存器組，每組含有32個(gè)32位寄存器。片內(nèi)采用2級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

　　ASIC使用本實(shí)驗(yàn)室自主研制的多級(jí)濾波芯片[5]。該芯片采用SMIC 0.35mm工藝，芯片內(nèi)部工作頻率可達(dá)50MHz。有三個(gè)數(shù)據(jù)通道，分別級(jí)連不同數(shù)量的1*3基本濾波模板，每路數(shù)據(jù)通道采用流水線結(jié)構(gòu)。采用定點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算精度為8位二進(jìn)制小數(shù)，可處理位寬為8-16位的數(shù)據(jù)，吞吐量為5M-10M像素/秒，支持128*128，256*256，320*240三種幀格式的圖像濾波。

　　3．處理任務(wù)的合理分配

　　紅外探測(cè)器輸出圖像數(shù)據(jù)到信號(hào)處理板，先進(jìn)入FPGA進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括非均勻性校正和圖像增強(qiáng)等。ASIC對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)濾波處理。FPGA在后續(xù)算法中也能協(xié)同DSP工作，算法中對(duì)運(yùn)行速度要求很高，而算法結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的處理均可在FPGA 中實(shí)現(xiàn)，從而使得該FPGA 成為DSP 的協(xié)處理器。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的紅外圖像數(shù)據(jù)輸出到DSP中進(jìn)行后續(xù)算法處理，DSP的處理包括紅外潛在小目標(biāo)檢測(cè)算法。DSP 處理后的潛在小目標(biāo)和圖像數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA傳輸?shù)紻PRAM中存儲(chǔ)。

　　該實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)主要由三部分組成：FPGA模塊，DSP模塊和ASIC模塊。在滿足紅外圖像數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和高速可靠性要求的前提下，各處理模塊所處理的任務(wù)要盡量達(dá)到平衡。

　　從資源角度看，算法用硬件處理速度快，占內(nèi)存空間小，但靈活性差；用軟件剛好相反，處理速度慢，但靈活性好。由于設(shè)計(jì)要滿足實(shí)時(shí)性要求，希望硬件承擔(dān)的任務(wù)越多越好。PGA作為一種可編程的硬件資源，雖然它有相當(dāng)強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性，但是考慮到設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)調(diào)試的難度，不適合做全局、復(fù)雜的操作。ASIC芯片處理速度快，但靈活性差，只適合處理一些特定的占用大量處理器資源的運(yùn)算。DSP作為軟件資源，特點(diǎn)是靈活性好，適合復(fù)雜的算法，但速度慢。

　　從算法角度考慮，一個(gè)完整的算法在處理上是有層次的，算法對(duì)原始數(shù)據(jù)的操作是簡(jiǎn)單的、規(guī)則的，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的處理往往比較復(fù)雜，同時(shí)算法在實(shí)現(xiàn)前會(huì)被預(yù)先分成幾個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊。因此低層的、簡(jiǎn)單的操作可以由FPGA中的邏輯單元模塊或ASIC芯片硬件來(lái)完成，高層的、復(fù)雜的操作則由DSP軟件來(lái)完成。

　　根據(jù)上述分析，本設(shè)計(jì)中FPGA主要完成與各個(gè)外部設(shè)備的接口控制邏輯，同時(shí)完成一些數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度要求高的算法；DSP完成后續(xù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標(biāo)檢測(cè)算法；ASIC芯片對(duì)輸入圖像進(jìn)行多級(jí)濾波處理。此方案保證了系統(tǒng)有足夠的處理速度，能夠達(dá)到紅外圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

　 3.1 FPGA模塊

　　FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

FPGA主要完成以下幾方面的工作：圖像數(shù)據(jù)接收邏輯，圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，輸入緩存FIFO，DSP接口控制邏輯，ASIC接口控制邏輯，DPRAM接口控制邏輯，算法處理模塊。

　　(1) 圖像數(shù)據(jù)接收邏輯：根據(jù)探測(cè)器輸出的數(shù)字視頻信號(hào)的場(chǎng)同步，行同步以及時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送控制信號(hào)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。

　　(2) 圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：對(duì)接收的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。

　　(3) 輸入緩存FIFO：由FPGA內(nèi)部配置輸入緩沖存儲(chǔ)器FIFO。預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)可以連續(xù)不間斷地寫入FIFO中，以供DSP讀取進(jìn)行后續(xù)的圖像處理。

　　(4) DSP接口控制邏輯：DSP 接口時(shí)序控制邏輯必須嚴(yán)格按照TMS320C6414的EMIFA

　　可編程同步接口的時(shí)序來(lái)編寫，并且滿足相應(yīng)的建立保持時(shí)間要求。DSP啟動(dòng)EDMA通道

　　讀取紅外圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)FPGA的內(nèi)部FIFO進(jìn)行連續(xù)的圖像傳輸。

　　(5) ASIC接口控制邏輯：按照ASIC芯片的時(shí)序編寫其控制邏輯，將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入ASIC

　　芯片進(jìn)行圖像多級(jí)濾波處理。

　　(6) DPRAM接口控制邏輯：編寫DPRAM的控制邏輯，將DSP 處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA傳輸?shù)紻PRAM中存儲(chǔ)。

　　(7) 算法處理模塊：根據(jù)具體算法的需要，協(xié)同DSP完成算法中速度要求高，結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的運(yùn)算。

　　3.2 DSP模塊

　　DSP主要完成紅外小目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤算法，功能如下：

　　(1) 啟動(dòng)EDMA通道不斷讀取FPGA輸出的紅外圖像數(shù)據(jù)。

　　(2) 對(duì)輸入的紅外圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)行目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并確定其方位。

　　(3) 與FPGA建立連接，將算法中比較規(guī)則的運(yùn)算交給FPGA處理。

　　(4) DSP將處理后的運(yùn)算結(jié)果通過(guò)FPGA傳輸至DPRAM中存儲(chǔ)。

　　3.3 ASIC模塊

　　ASIC芯片從FPGA中接收預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的三路數(shù)據(jù)同步寫入內(nèi)部三個(gè)同步FIFO，DSP可以根據(jù)需要選擇輸出多級(jí)濾波處理后的結(jié)果，進(jìn)行后續(xù)算法的處理。

　　4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　實(shí)時(shí)紅外圖像處理板已成功應(yīng)用于多個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)中，效果良好。圖3為實(shí)驗(yàn)時(shí)采用

　　高德IR108D探測(cè)器獲得的原始紅外圖像，圖4為經(jīng)過(guò)多級(jí)濾波處理后標(biāo)識(shí)的圖像，圖5為經(jīng)過(guò)目標(biāo)檢測(cè)算法處理后輸出的跟蹤圖像。可以看到，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并跟蹤紅外圖像中的運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)。

5．結(jié)語(yǔ)

　　本文使用高性能的DSP（TMS320C6414），可編程邏輯器件FPGA （Stratix系列的EP1S10）和專用ASIC多級(jí)濾波芯片，提出了DSP + FPGA + ASIC的圖像處理平臺(tái)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了處理能力強(qiáng)、接口可靠穩(wěn)定的紅外圖像處理系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了非均勻性校正、小目標(biāo)檢測(cè)等算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)對(duì)每場(chǎng)320×240有效像素，每個(gè)像素14bit，場(chǎng)頻50Hz的輸出數(shù)字視頻信號(hào)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)完成檢測(cè)和跟蹤功能，滿足系統(tǒng)主要性能指標(biāo)要求，成功應(yīng)用于紅外探測(cè)系統(tǒng)中。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用自主研制的ASIC芯片對(duì)紅外圖像進(jìn)行多級(jí)濾波處理，速度快，可靠性好，為DSP后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法節(jié)約時(shí)間。