刘金龙

（江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210012）

基于FPGA和DSP的视频处理系统分析

刘金龙

（江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210012）

文章首先对FPGA技术与DSP技术联合的优势进行了简要分析，随后提出基于FPGA与DSP的视频处理系统设计方案，在此基础上对FPGA的实现及DSP的移植进行论述，期望该研究能够对视频处理系统设计水平的提升有所帮助。

DSP；FPGA；视频处理系统

1 FPGA技术与DSP技术联合的优势

在视频处理系统设计中，降低数据处理深度、减少算法能够提高系统实时处理能力，而对现场可编逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）与数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术进行联合应用可达到这一目的。

1.1 FPGA技术优势

FPGA能够实现分布式算法，其芯片具备超大运算能力，该技术具备的应用优势如下：可快速查询和读取设置表中的数据；利用触发指令对状态信息进行快速存储；快速完成图像数据运算、图像分割、区域特征提取等处理任务。

1.2 DSP技术优势

DSP是一种适用于各种数字信号处理运算的处理器，其应用优势如下：DSP芯片与SDRAM实现无缝对接，能够高速读取不同类型存储器中的数据，满足图像处理需求；DSP芯片可实现数据流水化操作，提高算法运行效率，同时处理大量图像数据[1]。

1.3 FPGA+DSP的优势

在系统设计中，FPGA作为控制器，可接收、存储、预处理、传输视频图像；DSP作为主处理器，可利用高速的运算能力对复杂的跟踪算法进行快速处理。通过FPGA+DSP的分工合作，能够保证视频处理系统的处理速度和处理质量。对视频处理系统进行模块化设计，可保证系统结构的灵活性和通用性，缩短系统开发周期，提高算法运算效率，同时在系统使用过程中便于升级和维护。

2 基于FPGA与DSP的视频处理系统设计方案

2.1 系统架构

本次设计选用FPGA技术和DSP技术构建一套相对完整的视频处理系统，在系统的硬件设计中，以FPGA和DSP作为平台，前者主要负责完成对采集到的视频图像数据进行预处理，并与DSP进行数据交互；后者是视频图像处理的核心，具体负责相关算法的实现和系统的运行管理[2]。系统的总体框架结构如图1所示。

系统硬件采用当前较为流行的模块化设计方法，根据不同的功能，共设计了以下几个模块：FPGA，DSP、扩展存储、视频采集、视频传输，各个模块负责实现不同的功能。

图1 系统总体框架结构示意

2.2 FPGA与DSP芯片

2.2.1 FPGA芯片

①选型。在本系统中，FPGA芯片主要负责控制系统的视频图像采集与存储的时序逻辑，并实现对相关图像数据的处理，同时还要完成与DSP芯片的数据通信。为确保上述功能的实现，通过经济技术性比选，最终决定选用Altera公司设计研发的EP2C70[3]。

②功能。FPGA内部集成了大量的模块，每个模块都有自己的功能，如采集模块主要负责对CCD输入的图像信号进行接收，并将之缓存至板上的存储器当中；无线传输模块负责实现无线信号的收发，这在一定程度上提高了系统的灵活性和便携性，从而使系统可以适应各种不同工作环境的要求。

2.2.2 DSP芯片

在本系统的设计中，将DSP芯片作为数据处理的核心部分，为保证数据处理的效果和质量，要求所选的DSP必须具备强大的图像处理运算能力，通过经济技术性比选之后，最终决定选用TI公司研发的TMS320C6416芯片。

①DSP电源设计。由于C6000系列DSP的CPU内核与I/O接口所需要的工作电压有所不同，前者为1.4V，后者为3.3V，故此在系统设计的过程中，必须充分考虑到DSP的供电问题，系统设计时，选用了一个5V的电源，并借助TPS电源模块生成了一个1.4V CVDD和一个3.3V DVDD，设计中还加入了一个三极管，以此来确保上电次序的正确。

②DSP时钟设计。对于本系统而言，时钟可以触发模块启动，C6000系列DSP的CLKIN引脚从外部引入时钟源为CPU提供时钟控制功能。为有效防止时钟信号失真的情况发生，在设计时应当确保所有时钟导线的长度尽可能短一些。

③复位电路设计。本系统的复位电路选用的是TPS3823核心芯片，当系统运行出错时，通过RESET输出端可以使系统恢复初始设置。

3 FPGA的实现及DSP的移植

3.1 算法的FPGA实现

在本系统的设计过程中，通过FPGA芯片对中值滤波算法进行实现。基于此点，开发了模块生成模板和滤波模板，以此来完成中值滤波算法的硬件设计，具体思路如下：通过模板生成模块将所需处理的像素根据窗口的大小截取领域，并生成算法所需的模板，随后将像素分为3行4列的数据格式，并将该阵列传至滤波模块当中，借助中值滤波算法，对窗口中的每一列数据进行并行处理，将最终获得的中间值作为算法的处理结果。

（1）模板生成。模板生成的具体流程如下：先对某一行图像数据进行采集，开启写功能，将采集到的数据写入linebuffer1当中，完成模板当中数据的单行输入，随后将linebuffer2开通读功能，将1缓存器中的数据写到2中，新采集到的数据写到1中，这样模板中的第2行数据便输入完成，后续数据的输入同理[4]。

（2）算法的实现模块。该模块需要先在系统的开发环境当中生成，可将中值滤波算法改写成计算机语言，并在QUARTUS软件环境下，将算法改写成软件的通用语言，语言格式为V-HDL。程序改写完毕之后，应对其进行功能和时序的仿真，确认无误后，便可生成算法模块。中值滤波算法的FPGA硬件结构设计如图2所示。

图2 中值滤波算法的FPGA硬件结构设计示意

图2中的COM1为四进二出比较模块，该模块中含有4个比较器，能够实现输入端4个像素灰度的最大和最小值输出；COM2为三进一出比较模块，该模块中含有2个比较器，可对3个比较数据的中值进行输出。

3.2 DSP移植

DSP移植实质上就是算法移植，也就是通常所说的编码和代码移植，具体指将算法的代码移植到硬件DSP的CCS仿真软件当中。由于移植环境本身存在一定的差异，若是不修改代码，可能会影响其在目标平台的运行效果。为此，需要通过重建程序框架的方法对代码进行修改，同时调整参数的配置方式。除此之外还需要对系统资源进行重新分配，确保系统的存储空间分配合理。

（1）调整参数的配置方式。在对代码进行移植的过程中，要修改其参数配置，将命令行的输入方式舍去，将算法代码的参数配置改在函数内部完成，这样便可以使算法程序与CCS的编写规则相符。

（2）调整变量的存取方式。在对代码进行移植的过程中，需要对变量的存取方式进行对应的调整，从而使其满足CCS的存储要求。一方面要考虑变量的类型，另一方面要考虑变量存储所需的内存，据此对段名及存储内容进行合理设置。

（3）存储空间的分配。优化存储空间分配是避免程序代码运行溢出的重要手段，有利于提高存储资源使用效率。在算法程序中，存储参考帧和其他结构体需要占用大部分内存，而DSP芯片的内存空间无法满足存储要求，所以在本系统设计中，可将动态存储空间放置到芯片外的存储工具上，即SDRAM模块，在该模块上进行图像数据缓存。同时，为了保证stack的存储空间，本系统设计将算法移植后的代码程序放在Flash芯片中，从而实现各程序的独立运行。

4 结语

综上所述，本文在简要分析FPGA技术与DSP技术联合优势的基础上，基于这两项技术提出了视频处理系统的设计方案，并对FPGA的实现及DSP的移植进行论述。在视频处理系统设计中，联合应用FPGA技术与DSP技术，不仅能够提高系统的设计效率，而且还能使系统的功能更加完善。

[1]范超，赵琳，陈国.基于FPGA+DSP架构视频处理系统设计[J].电子技术，2014（6）：142-144.

[2]王富伟.基于DSP和FPGA的嵌入式视频系统研究[D].郑州：河南科技大学，2012.

[3]周宇.基于FPGA和DSP的图像处理技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[4]于龙.基于FPGA+DSP的H.264视频编解码系统设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

Analysis of video processing system based on FPGA and DSP

Liu Jinlong
（Jiangsu Radio Power Plant Co., Ltd., Nanjing 210012, China）

This paper first gives a brief analysis of the FPGA technology and DSP technology combined with the advantages of FPGA and DSP, then put forward the design scheme based on video processing system, based on the implementation of DSP and FPGA on the transplant were discussed. It is expected that the research of this paper can help to improve the design level of video processing system.

DSP; FPGA; video processing system

刘金龙（1988— ），男，江苏靖江，本科，助理工程师；研究方向：基于FPGA和DSP的产品开发及应用。