三維圖像信息處理FPGA+DSP核心架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維圖像信息處理一直是圖像視頻處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)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(yù)處理、重建、構(gòu)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(yùn)算復(fù)雜，單純依靠通用PC很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，不能滿足現(xiàn)行高速三維圖像處理應(yīng)用。

本系統(tǒng)中，采用FPGA實(shí)現(xiàn)底層的信號(hào)預(yù)處理算法，其處理數(shù)據(jù)量很大，處理速度高，但算法結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可同時(shí)兼顧速度和靈活性。高層處理算法數(shù)據(jù)量較少、算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可采用運(yùn)算速度快、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP實(shí)現(xiàn)[1，4]。

1 三維圖像處理系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由五個(gè)模塊組成，如圖1所示。

系統(tǒng)信息處理流程見(jiàn)圖2所示。CCD攝像機(jī)采集的多路模擬視頻信號(hào)經(jīng)MAX440按需要選定后，送入模數(shù)視頻轉(zhuǎn)換器SAA7111A將攝像機(jī)輸出的模擬全電視信號(hào)CVBS轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)；之后視頻信號(hào)流入圖像預(yù)處理器Spartan XC3S400,經(jīng)過(guò)提取中心顏色線、提取激光標(biāo)志線和物體輪廓線的預(yù)處理后，配送到兩片TS201進(jìn)行定標(biāo)參數(shù)計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算、三維重建、數(shù)據(jù)融合以及三維構(gòu)型的核心運(yùn)算；最后將DXF文件數(shù)據(jù)經(jīng)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(gè)系統(tǒng)的邏輯連接和控制以及部分?jǐn)?shù)據(jù)交換由另一片FPGA來(lái)完成[1]。

在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，FPGA處理器采用SIMD結(jié)構(gòu)，在一個(gè)控制單元產(chǎn)生的控制信號(hào)下，數(shù)據(jù)通路中的三個(gè)算法并行運(yùn)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(shù)以提高速度。此外，本系統(tǒng)中為圖像存儲(chǔ)采用了許多大容量高速FIFO，以達(dá)到減少地址線，簡(jiǎn)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(chǎn)品，其硬件方面的特點(diǎn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，其優(yōu)異的運(yùn)算性能可確保系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)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(jìn)、價(jià)格較低、單位成本內(nèi)I/O管腳最多的平臺(tái)級(jí)可編程邏輯器件。XC3S400芯片內(nèi)部時(shí)鐘頻率可達(dá)326MHz，信號(hào)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(nèi)部存儲(chǔ)器，多達(dá)4個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器模塊和8個(gè)全局時(shí)鐘多路復(fù)用緩沖器。

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

數(shù)字化器采用了Philips公司的增強(qiáng)視頻輸入處理器(EVIP)――SAA7111A模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于個(gè)人視頻、多媒體、數(shù)字電視、可視電話、圖像處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)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?qū)AL/TSC/ECAM視頻信號(hào)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(hào)源的CVBS或S-Video視頻信號(hào)，最高圖像分辨率可達(dá)720×576，支持24位真彩色，可以通過(guò)串行總線動(dòng)態(tài)配置
SAA7111A模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作方式和各種參數(shù)。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集與數(shù)字化模塊

由于模擬攝像機(jī)采集的是PAL制的復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)，所以必須先將其數(shù)字化才能開(kāi)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(fù)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(lái)快速切換來(lái)自不同模擬輸入端的模擬視頻流，SAA7111A模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)格式的數(shù)字視頻，其輸出的RGB真彩色信號(hào)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(gè)分別為13.5MHz和27MHz的時(shí)鐘信號(hào)，將輸入數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為24位、周期均為74ns的RGB真彩色信號(hào)，此外，它還為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供必要的時(shí)鐘和同步信號(hào)；PCI接口控制器通過(guò)PCF8584來(lái)配置和控制SAA7111A，連接邏輯由FPGA實(shí)現(xiàn)。

2.2 FPGA圖像預(yù)處理模塊

預(yù)處理從巨大的視頻信息中提取極少量的對(duì)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(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)并對(duì)采集到的無(wú)壓縮的視頻信息進(jìn)行預(yù)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(gè)部分。

為了提高視頻采集的整體性能，更重要的是為預(yù)處理提供相鄰的有激光幀和無(wú)激光幀，必須通過(guò)視頻幀緩存首先暫存無(wú)激光幀。緩存由3片AverLogic公司的AL422B及一些由FPGA實(shí)現(xiàn)的連接邏輯組成；當(dāng)前端模塊輸出無(wú)激光幀時(shí)，SA7111A控制3片AL422B寫(xiě)操作，將其存入FIFO；當(dāng)前端輸出有激光幀時(shí)，后端的視頻處理模塊控制3片AL422B進(jìn)行讀操作，讀出暫存在其中的無(wú)激光幀數(shù)據(jù)。預(yù)處理FPGA將讀取的無(wú)激光幀和有激光幀進(jìn)行相減運(yùn)算。輸出同樣采用3組緩存分別用來(lái)暫存激光樣條數(shù)據(jù)、目標(biāo)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(shí)鐘控制，同步時(shí)鐘采用由SAA7111A模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的LLC2信號(hào)。為了提高系統(tǒng)速度，算法復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了流水線處理。