FPGA及DSP技术下的实况视频图像处理多种算法探究

摘 要： 探讨FPGA及DSP技术下的实况视频图像处理多种算法。在算法设计中，运用FPGA实现实况视频图像处理中的微处理器接口设计，对图像数据实现简单的预处理，有效利用DSP技术处理复杂的实况视频图像算法，并优化图像处理中的逻辑控制，以便实现高速传输的图像数据，提升图像的实时处理效率。结果表明，实况视频图像处理算法中采用FPGA及DSP技术，可提升其低层信号预处理算法以及高层处理算法的处理速度，提升算法寻址灵活性，并提升20%的实况视频图像处理效率。

关键词： DSP技术； 实况视频； FPGA技术； 图像处理算法

中图分类号： TN911.73?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）16?0088?03

Abstract： Various live video image processing algorithms based on FPGA and DSP technology are discussed. In this algorithm design， the FPGA is used to design the microprocessor interface for live video image processing， and preprocess the image data simply； the DSP technology is used to process the complicated live video image algorithm， and optimize the logical control in image processing so as to realize the image data high?speed transmission and improve the real?time processing efficiency. The live video image processing algorithm based on FPGA and DSP technologies can increase the processing speed of the low?level signal preprocessing algorithm and high?level processing algorithm， improve the addressing flexibility， and increase the processing efficiency of the live video image by 20.0%.

Keywords： DSP technology； live video； FPGA technology； image processing algorithm

在现实信息化技术应用中，对实况视频图像处理多种算法进行设计时，必须确定系统的算法可以处理大数据量图像信息，这样才能保证实况视频图像处理的实时性，这对视频图像运算的速度和对信息处理运算的种类综合性处理方面提出了更高的要求。基于FPGA及DSP技术设计实况视频图像处理多种算法提升了实况视频图像处理算法处理效率，将会有很好的应用前景。

1 FPGA及DSP技术

1.1 技术原理

现场可编程的门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是在当前可编程器件基础上发展的新产物[1?3]。在FPGA技术中，可基于逻辑单元阵列LCA进行设计，在FPGA内部配置可逻辑编程的CLB模块，同时该技术又具备IOB输入/输出模块、内部连线等，并确保在实际图像处理中发挥应用价值[4]。并且在实际使用FPGA时，能够保证用户重新对FPGA逻辑、I/O模块进行配置，确保图像处理算法逻辑满足用户需求[5]，提升算法程序编写效率。DSP（Digital Singnal Processor）作为一种微处理器，不仅有完整的系统操作指令，还包括有处理大量数字信号的器件[6]。同时，可以分开设置数据总线与地址总线，避免算法程序编辑中数据与指令的混淆，提升了图像处理指令执行效率[7]。

1.2 技术优势

FPGA技术有效克服了传统ASIC图像处理中灵活性差的缺点，可以提高图像处理的灵活性；还可以根据实际软件设计需求重新配置内部逻辑功能，方便电路更改与维护[8?12]。DSP技术下，系统执行上一条算法指令的同时，也可以取出下一条的算法指令，提高软件图像处理过程中微处理器的执行速度[13]。使用DSP技术增加了系统设计器件灵活性[14]，其具有强大数据处理能力和高运行速度，体积很小，可对数字实况视频图像处理信号进行相应的修改、删除与强化操作。

2 设计需求分析

实况视频图像处理算法中，对系统的体积以及功耗设计都有很高的要求；并且要确保图像处理稳定性，需要提升实况视频图像处理算法计算精度，以满足实际设计需求。本次实况视频图像处理算法设计中，系统主要由DSP子系统和FPGA子系统构成，以便保证快速稳定地处理大量实况视频图像数据流，并且还可以应用外扩SDRAM形式进行设计，实现算法之间DSP与FPGA大容量图像处理数据的交换。在该算法设计中，需要确保DSP子系统能够针对复杂的视频图像进行处理，并可以提供对实况视频图像的存储功能；在FPGA子系统设计中，需要确保可以完成实况视频处理算法中对于CCD传感器中预处理图像数据的需求，提升算法通用性。

3 基于FPGA及DSP技术下设计多种实况视频

图像处理算法

3.1 总体结构

在实况视频图像处理算法中，采用DSP联合FPGA技术结构的设计基础，提升了设计中算法结构的灵活性，并且也可以确保提高实况视频图像处理算法的通用性。故此，在本次实况视频图像处理算法的设计中，可以应用模块化的设计方式，以便有效提高图像处理算法的效率，缩短开发的周期。FPGA做逻辑控制，DSP做浮点算法，让每个器件都发挥其作用；FPGA和DSP是两项互补的技术。本次实况视频图像处理算法设计总体结构如图1所示。 3.2 FPGA硬件设计

在该实况视频图像处理算法中，应用FPGA作为设计过程中的专用集成电路，不仅可以有效解决算法处理中应用定制电路的不足，又可以有效克服原有图像处理中可编程器件中有限门电路数的阻碍，提升实况图像处理过程中的数字器件功能，发挥实况视频图像处理质量。

3.3 实况视频图像处理算法

（1） 中值滤波算法

在该算法中，可以将每一个图像像素点中的灰度值设置成和该点邻域窗口中全部像素点灰度中值，以此来进行图像处理。

具体的实现办法：实况视频图像中，在处理某个采样窗口时，取出其中奇数个数据并能够进行相关排序；应用排序后数据的中值，取代要进行实况处理图像的数据，可以得出图像处理结果。图像处理情况如图2所示。

如果需要处理的一幅实况视频中图像大小是N×N，则整个图像处理过程的时间复杂度为O（M2）；若是图像处理窗口较大，则计算的量也会很大，会浪费图像处理的时间。故此，应用DSP技术编程处理图像，可以快速处理实况视频图像，并优化图像处理算法流程，提升图像处理的质量。

（2） 四步搜索算法

搜索匹配点组成一个菱形窗口，如图3所示。

其中，对于初始9个匹配点中，分别是菱形4个顶点，以及4条边中点，还有菱形中心点，计算出每个点的SAD值，然后选取出在SAD中值最小的点。若该点是本次搜索中的窗口中心，则可以跳转到最后一步，否则，返回上一步。如果SAD的最小的点就是当前的搜索窗口中心点C点，则进入最后的一步。四步搜索算法易于实现软件流水，而非常适合在DSP 上实现。

3.4 实况视频图像处理算法代码实现

4 分析FPGA及DSP技术下算法应用效益

经验证，基于DSP和FPGA设计实况视频图像处理多种算法，满足实况视频图像处理的实时性和功耗的设计需求，易于维护和升级，具备较强的通用性。实况视频图像处理算法中，基于FPGA及DSP技术，提升了其低层信号预处理算法以及高层处理算法的处理速度，提升算法寻址灵活性，提升实况视频图像处理效率达到20.0%。

5 结 论

综上所述，基于DSP以及FPGA技术，设计实现实况视频图像处理的多种算法，能够充分发挥FPGA技术的灵活性，提升DSP图像处理运算的速度，也能发挥视频图像处理中寻址方式的灵活性优点，并更好地提高系统进行图像处理过程中的集成度，降低图像处理的功耗，有效满足视频实时性图像处理的要求。

参考文献

[1] 张廷华，樊桂花.基于DSP和FPGA的视频格式转换[J].国外电子测量技术，2013（2）：57?59.

[2] 胡敏，黄旭伟.基于SOPC技术的视频图像处理系统研究[J].机械制造与自动化，2012，41（5）：153?155.

[3] 张卫国，王斌，陈宏烨，等.基于数字图像处理技术的实况视频图像处理系统设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2011，34（3）：93?95.

[4] 苏宛新，程灵燕，程飞燕.基于DSP+FPGA的实时视频信号处理系统设计[J].液晶与显示，2010，25（1）：145?148.

[5] 王厚，顾国华，钱惟贤，等.高速红外视频处理系统的设计研究[J].红外技术，2013（7）：404?408.

[6] 常奇峰，王开福.基于DSP和FPGA的视频采集实时处理系统设计[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2010，25（2）：107?109.

[7] 曲伟.一种基于高性能DSP的雷达视频处理平台[J].电子技术应用，2013，39（6）：124?126.

[8] 焦淑红，关晨辉.实时视频信号的Sobel边缘检测的FPGA实现[J].电子科技，2014，27（9）：62?64.

[9] 徐晓，谢时岳.面向视频流的畸变矫正算法的FPGA实现[J].电视技术，2013，37（13）：53?55.

[10] 曾峦，宋胜利.基于DSP的图像压缩编码器程序优化[J].计算机测量与控制，2010，18（3）：671?673.

[11] 刘小剑，杨敬宝，王闯.多核DSP实时图像处理平台设计与实现[J].航空计算技术，2015（1）：131?134.

[12] 舒志猛，陈素华.基于FPGA和DSP的高速图像处理系统[J].现代电子技术，2012，35（4）：142?144.

[13] 吕雷，王明昌，秦金明.基于FPGA的多DSP红外实时图像处理系统[J].现代电子技术，2010，33（22）：97?99.

[14] 李佩斌，黄莹，赵誉婷.基于DSP+FPGA的嵌入式图像处理系统设计[J].现代电子技术，2014，37（20）：95?98.

[15] 王德胜，康令州.基于FPGA的实时图像采集与预处理[J].电视技术，2011，35（3）：32?35.