三維圖像信息處理FPGA+DSP核心架構的設計與實現(xiàn)

三維圖像信息處理一直是圖像視頻處理領域的熱點和難點，目前國內外成熟的三維信息處理系統(tǒng)不多，已有的系統(tǒng)主要依賴高性能通用PC完成圖像采集、預處理、重建、構型等囊括底層和高層的處理工作。三維圖像處理數(shù)據(jù)量特別大、運算復雜，單純依靠通用PC很難達到實時性要求，不能滿足現(xiàn)行高速三維圖像處理應用。

本系統(tǒng)中，采用FPGA實現(xiàn)底層的信號預處理算法，其處理數(shù)據(jù)量很大，處理速度高，但算法結構相對比較簡單，可同時兼顧速度和靈活性。高層處理算法數(shù)據(jù)量較少、算法結構復雜，可采用運算速度快、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP實現(xiàn)[1，4]。

1 三維圖像處理系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)由五個模塊組成，如圖1所示。

系統(tǒng)信息處理流程見圖2所示。CCD攝像機采集的多路模擬視頻信號經MAX440按需要選定后，送入模數(shù)視頻轉換器SAA7111A將攝像機輸出的模擬全電視信號CVBS轉換成數(shù)字視頻信號；之后視頻信號流入圖像預處理器Spartan XC3S400,經過提取中心顏色線、提取激光標志線和物體輪廓線的預處理后，配送到兩片TS201進行定標參數(shù)計算、坐標計算、三維重建、數(shù)據(jù)融合以及三維構型的核心運算；最后將DXF文件數(shù)據(jù)經由PCI接口傳送到PC,完成三維圖像變換和顯示等最終處理；整個系統(tǒng)的邏輯連接和控制以及部分數(shù)據(jù)交換由另一片FPGA來完成[1]。

在體系結構設計上，FPGA處理器采用SIMD結構，在一個控制單元產生的控制信號下，數(shù)據(jù)通路中的三個算法并行運行。由于該系統(tǒng)要求處理速度較高，因而在數(shù)據(jù)通路中采用了流水線技術以提高速度。此外，本系統(tǒng)中為圖像存儲采用了許多大容量高速FIFO，以達到減少地址線，簡化控制的目的。

1.2 處理器芯片

為滿足系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量快速處理的要求，三款核心芯片均為最新高性能產品，其硬件方面的特點給系統(tǒng)設計帶來極大的方便，其優(yōu)異的運算性能可確保系統(tǒng)的快速實時性。

FPGA芯片采用Xilinx公司近期推出的采用90nm工藝的Spartan3系列的XC3S400，該系列芯片是目前為止工藝最先進、價格較低、單位成本內I/O管腳最多的平臺級可編程邏輯器件。XC3S400芯片內部時鐘頻率可達326MHz，信號擺幅1.14V和3.45V，I/O口支持622Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，具有高性能SelectRAM內部存儲器，多達4個數(shù)字時鐘管理器模塊和8個全局時鐘多路復用緩沖器。

DSP采用ADI公司的最新款基于并行處理設計、具有海量片內RAM的TigerSHARC ADSP TS201。其內部集成的RAM容量高達24Mbit，核心速度最高達600MHz。內設雙運算模塊，每個包含一個ALU、MUL、64bit移位寄存器、32個32bit寄存器組和一個128bit通信邏輯單元，相關的數(shù)據(jù)對齊緩沖器；雙整數(shù)ALU，各有獨立的寄存器組，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作；4個128bit寬度內部總線，每個都連接到6個4Mbit的內部存儲器塊；提供與主機處理器、多處理器空間、片外存儲器映射外設、外部SRAM和SDRAM相連的外部端口；14通道DMA控制器；4個全雙工低電壓差分信號輸入的Link Port；具有片內仲裁總線，用于多DSP無縫的連接。

數(shù)字化器采用了Philips公司的增強視頻輸入處理器(EVIP)――SAA7111A模數(shù)轉換器。該產品廣泛應用于個人視頻、多媒體、數(shù)字電視、可視電話、圖像處理、實時監(jiān)控等領域，純3.3V CMOS工藝的模擬視頻前端和數(shù)字視頻編碼器，能夠將PAL/TSC/ECAM視頻信號解碼為與CCIR-601相兼容的多種數(shù)字視頻格式，支持TV或VTR信號源的CVBS或S-Video視頻信號，最高圖像分辨率可達720×576，支持24位真彩色，可以通過串行總線動態(tài)配置
SAA7111A模數(shù)轉換器的工作方式和各種參數(shù)。

2 模塊設計

2.1 視頻采集與數(shù)字化模塊

由于模擬攝像機采集的是PAL制的復合視頻信號(CVBS)，所以必須先將其數(shù)字化才能開始后繼數(shù)字視頻處理。視頻采集與數(shù)字化模塊主要包括一片視頻多路復用器MAX440、一片SAA7111A、一片I2C接口控制器PCF8584和一些連接邏輯。MAX440用來快速切換來自不同模擬輸入端的模擬視頻流，SAA7111A模數(shù)轉換器是該模塊的核心，它采集模擬視頻，將其數(shù)字化為720×576的RGB(8，8，8)真彩色信號格式的數(shù)字視頻，其輸出的RGB真彩色信號為16位，其中高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù)周期分別為74ns和37ns，即低字節(jié)的頻率是高字節(jié)的1倍。這樣就要利用觸發(fā)器和兩個分別為13.5MHz和27MHz的時鐘信號，將輸入數(shù)據(jù)格式轉換為24位、周期均為74ns的RGB真彩色信號，此外，它還為整個硬件系統(tǒng)提供必要的時鐘和同步信號；PCI接口控制器通過PCF8584來配置和控制SAA7111A，連接邏輯由FPGA實現(xiàn)。

2.2 FPGA圖像預處理模塊

預處理從巨大的視頻信息中提取極少量的對三維重建有用的信息傳送至DSP后處理。該模塊包括主處理FPGA芯片和高速FIFO，負責實時采集視頻信號并對采集到的無壓縮的視頻信息進行預處理，包括提取激光中心線、提取輪廓線、提取中心顏色線三個部分。

為了提高視頻采集的整體性能，更重要的是為預處理提供相鄰的有激光幀和無激光幀，必須通過視頻幀緩存首先暫存無激光幀。緩存由3片AverLogic公司的AL422B及一些由FPGA實現(xiàn)的連接邏輯組成；當前端模塊輸出無激光幀時，SA7111A控制3片AL422B寫操作，將其存入FIFO；當前端輸出有激光幀時，后端的視頻處理模塊控制3片AL422B進行讀操作，讀出暫存在其中的無激光幀數(shù)據(jù)。預處理FPGA將讀取的無激光幀和有激光幀進行相減運算。輸出同樣采用3組緩存分別用來暫存激光樣條數(shù)據(jù)、目標輪廓線數(shù)據(jù)和圖像中心線數(shù)據(jù)；所有模塊均采用同步時鐘控制，同步時鐘采用由SAA7111A模數(shù)轉換器產生的LLC2信號。為了提高系統(tǒng)速度，算法復雜、耗時較長的計算過程進行了流水線處理。