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基于DSP+FPGA+ASIC的实时图像处理系统

时间:2015-05-28 20:09:29  来源:  作者:

1.引言

  随着红外焦平面阵列技术的快速发展,红外成像系统实现了高帧频、高分辨率、高可靠性及微型化,在目标跟踪、智能交通监控中得到了越来越多的应用,并向更加广泛的军事及民用领域扩展。实时红外图像处理系统一般会包括非均匀校正、图像增强、图像分割、区域特征提取、目标检测及跟踪等不同层次的实时图像处电感电容滤波器理算法,由于图像处理的数据量大,数据处理相关性高,因此实时红外图像处理系统必须具有强大的运算能力。目前有些红外图像处理系统使用FPGA实现可重构计算系统[1],运算速度快,但对于复杂算法的实现难度比较高,且灵活性差。大多数红外图像处理系统则采用DSP+FPGA的硬件架构[2],其中DSP负责实现图像处理算法,FPGA负责实现各种接口电路,但诸如图像多级滤波等处理算法复杂度高,只使用DSP处理会耗费大量时间,一般采用并行多DSP系统以满足实时性要求[3],但系统比较复杂,体积和功耗也不好控制,实现成本高。因此需要在硬件结构上合理分配处理任务,比如FPGA可以完成输入图像的预处理工作,减轻DSP的负担,本实验室自主研制的ASIC芯片可以对输入红外图像进行多级滤波处理,进一步解放DSP。本文针对红外图像处理系统的实时性要求,提出了基于DSP+FPGA+ASIC的图像处理架构。

  2.实时红外图像处理系统

  由于实时红外小目标检测算法的前端处理数据量大、实时性强且算法复杂度高,我们的系统结构需要保证灵活性,能够适应各种复杂的算法,同时又要保证高速处理能力,因此实时红外图像处理系统采用DSP+ FPGA+ASIC的架构来满足设计的要求。其中,DSP具有高度的可编程性,可以完成比较复杂的任务。FPGA的处理速度稍逊于ASIC,但具有一定的灵活性,它可以实时接收红外小目标检测算法前端的数据,完成输入图像的一些预处理工作。ASIC芯片处理速度快、性能强且可靠性好,可以完成图像滤波等特定的任务。

  一种实时红外图像处理系统结构框图如图1所示:

FPGA采用ALTERA公司的Stratix系列的EP1S10芯片。该芯片提供多达10,570个逻辑单元(LEs),存储器容量为920,448016 bits,同时提供了高速DSP模块以及乘法器,专用乘法器适合于作协处理器,可以分担DSP复杂和耗时的算术运算,提升系统的性能。

  D塑封电感器SP选用TI公司的TMS320C6414芯片[4]。该芯片主频为600MHz,数据处理能力峰值可达4800MIPS(每秒48亿条指令)。由8个相互独立的功能单元构成。包含两组通用寄存器组,每组含有32个32位寄存器。片内采用2级存储器结构。

  ASIC使用本实验室自主研制的多级滤波芯片[5]。该芯片采用SMIC 0.35mm工艺,芯片内部工作频率可达50MHz。有三个数据通道,分别级连不同数量的1*3基本滤波模板,每路数据通道采用流水线结构。采用定点运算,计算精度为8位二进制小数,可处理位宽为8-16位的数据,吞吐量为5M-10M像素/秒,支持128*128,256*256,320*240三种帧格式的图贴片电感像滤波。

  3.处理任务的合理分配

  红外探测器输出图像数据到信号处插件电感理板,先进入FPGA进行预处理,预处理包括非均匀性校正和图像增强等。ASIC对输入图像数据进行多级滤波处理。FPGA在后续算法中也能协同DSP工作,算法中对运行速度要求很高,而算法结构不太复杂的处理均可在FPGA 中实现,从而使得该FPGA 成为DSP 的协处理器。经过预处理后的红外图像数据输出到DSP中进行后续算法处理,DSP的处理包括红外潜在小目标检测算法。DSP 处理后的潜在小目标和图像数据通过FPGA传输到DPRAM中存储。

  该实时红外图像处理系统主要由三部分组成:FPGA模块,DSP模块和ASIC模块。在满足红外图像数据处理的实时性和高速可靠性要求的前提下,各处理模块所处理的任务要尽量达到平衡。

  从资源角度看,算法用硬件处理速度快,占内存空间小,但灵活性差;用软件刚好相反,处理速度慢,但灵活性好。由于设计要满足实时性要求,希望硬件承担的任务越多越好。PGA作为一种可编程的硬件资源,虽然它有相当强的设计灵活性,但是考虑到设计、实现调试的难度,不适合做全局、复杂的操作。ASIC芯片处理速度快,但灵活性差,只适合处理一些特定的占用大量处理器资源的运算。DSP作为软件资源,特点是灵活性好,适合复杂的算法,但速度慢。1

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