面向异步视频嵌入式图像处理系统设计

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1、面向异步视频嵌入式图像处理系统设计　　摘　要：在此设计出一种基于DSP+FPGA技术的面向异步视频的嵌入式图像处理系统，以一种灵活的架构避免了帧间不同步方法对双口RAM显存的需求，既能够保证图像输出质量，又有利于提升图像处理的性能指标。系统以FPGA为核心，连接DSP和4片帧存，通过帧存的循环复用将缓存和显存融合起来，省略了数据搬运的环节。当输入帧频小于输出帧频时，从系统总体的角度分析帧存的状态转换规律；当输入帧频大于输出帧频时，从单个帧存的角度分析帧存的状态转换规律，并给出了可编程逻辑设计的源程序。该方案已在产品中应用，通过升级能够满足更高的

2、技术要求。关键词：异步视频；　图像处理；　嵌入式系统；　FPGA；　帧存切换中图分类号：TN91934；　TP391文献标识码：A文章编号：1004373X（2012）22001404收稿日期：201206126图像处理系统输入视频信息，运行图像处理算法，输出处理后的图像信号，实现目标检测、跟踪、识别等功能。系统的输入和输出常常是不同的视频格式，二者由于帧频的不同，处于异步的状态。为了提高异步视频时输出画面的质量，本文展开了深入的研究，设计出一种基于DSP+FPGA技术的面向异步视频的嵌入式图像处理系统，提高了输出图像的视觉效果，结构简洁，具有

3、小巧灵活的优点。1　异步视频的处理方法如果图像处理系统的输入为复合模拟视频，帧频25　Hz；输出为XGA格式，帧频60　Hz；一幅输入画面平均产生2.4次输出画面，此时系统处理的就是异步视频，有3种处理方法：帧内不同步方法、帧间不同步方法和准同步方法。（1）　帧内不同步方法。输出帧以输入帧的帧频进行切换，当一帧输入数据准备好后，输出帧就切换到新一帧的视频数据，不管此时输出帧进行到了哪个时刻。这种模式中输入帧和输出帧处于帧内的不同步状态，即输出帧的画面可能由非同一幅输入帧画面组成。当相邻的两帧图像存在较大差异（目标与传感器有较高的相对运动）时，输

4、出帧的画面会出现明显的分界。例如视频采集卡采集复合视频信号在PC机监视器上显示，动态画面的分界清晰可辨［1］。6（2）　帧间不同步方法。把不同步局限在帧间的状态，当一帧输入数据准备好后，输出帧不会立即切换到新一帧的视频数据，而是根据输出帧自身的时序做出选择。只有当前输出帧输出完毕后，才会切换到新一帧的视频数据，保证了输出的每幅画面都有一个对应的输入画面，不会出现2个输入画面拼接的状况。如果一幅输入画面平均产生2.4次输出画面，那么某些输入画面显示了2次，某些输入画面显示了3次。原来在时间上均匀显示的输入画面，在输出时不再均匀。当输入画面中存在匀

5、速运动的物体时，在输出画面中，物体会出现跳跃式的运动。这种显示效果在大多数应用环境中肉眼难以觉察，是目前嵌入式图像处理系统广泛采用的处理异步视频的方法［24］。比较第一种方法，硬件设计的复杂度有所提高，但保证了用户的观测效果。（3）　准同步方法。输出帧和输入帧在一段时间上基本对应，接近同步的效果。虽然输入和输出的帧频不同，但系统根据相邻的输入帧图像的变化特点，生成一些中间帧，加入到输出帧序列中，突出了输出帧频提高的显示效果，能够保持画面的连续性。这种方法多用于视频格式转换系统，其存储器的空间要满足帧速率转换算法的要求。某些视听大屏幕设备只转换特

6、定的几种视频格式，特殊的算法可使存储器空间最小化，以利于降低成本［56］。图像处理系统面对异步视频时，非专用于视频格式转换目的情况下，实现帧间不同步的输出效果即可。一般的解决方案是准备3帧数据空间的双口RAM显存，无论写入速度多少，都能够避免写入和读出的冲突。本文设计出一种基于DSP+FPGA技术的嵌入式图像处理系统，以一种灵活的架构避免了显存的需求，既能够保证图像输出质量，又有利于提升图像处理的性能指标。2　嵌入式图像处理系统62.1　功能架构通常图像系统中数据流环节依次为：输入接口、FPGA、数据缓存、DSP、显存等。其中显存中的数据以帧为

7、单位切换输出，两帧乒乓的方式只能用于同步状态［710］。本系统设计的功能架构如图1所示，可以把缓存和显存融合在一起，通过FPGA切换的方式免除数据搬运的过程。图1　功能架构图可编程逻辑器件（FPGA）将数字信号处理器（DSP）、4片帧存以及输入和输出视频数据流连接起来。依据功能状态，帧存定义为写入帧、处理帧、读出帧、缓存帧、废弃帧，其中缓存帧和废弃帧不同时存在。写入帧指该帧存与视频数据输入流连接，正在存储输入的视频数据；处理帧指该帧存与DSP连接，作为DSP的数据缓存，供软件读写；读出帧指该帧存与视频数据输出流连接，视频数据正在被读出显示；缓存

8、帧指处理帧的下一个状态，等待被读出显示，处于孤立状态；废弃帧指视频数据已经完成输出，等待被新的数据写入，处于孤立状态。每一帧视频数据与一片帧存关联，依