三维图像信息处理FPGA+DSP核心架构的设计与实现

三维图像信息处理一直是图像视频处理领域的热点和难点，目前国内外成熟的三维信息处理系统不多，已有的系统主要依赖高性能通用PC完成图像采集、预处理、重建、构型等囊括底层和高层的处理工作。三维图像处理数据量特别大、运算复杂，单纯依靠通用PC很难达到实时性要求，不能满足现行高速三维图像处理应用。

本系统中，采用FPGA实现底层的信号预处理算法，其处理数据量很大，处理速度高，但算法结构相对比较简单，可同时兼顾速度和灵活性。高层处理算法数据量较少、算法结构复杂，可采用运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP实现[1，4]。

1 三维图像处理系统组成

1.1 硬件系统构成

该系统由五个模块组成，如图1所示。

系统信息处理流程见图2所示。CCD摄像机采集的多路模拟视频信号经MAX440按需要选定后，送入模数视频转换器SAA7111A将摄像机输出的模拟全电视信号CVBS转换成数字视频信号；之模压电感器后视频信号流入图像预处理器Spartan XC3S400,经过提取中心颜色线、提取激光标志线和物体轮廓线的预处理后，配送到两片TS201进行定标参数计算、坐标计算、三维重建、数据融合以及三维构型的核心运算；最后将DXF文件数据经由PCI接口传送到PC,完成三维图像变换和显示等最终处理；整个系统的逻辑连接和控制以及部分数据交换由另一片FPGA来完成[1]。

在体系结构设计上，FPGA处理器采用SIMD结构，在一个控制单元产生的控制信号下，数据通路中的三个算法并行运行。由于该系统要求处理速度较高，因而在数据通路中采用了流水线技术以提高速度。此外，本系统中为图像存储采用了许多大容量高速FIFO，以达到减少地址线，简化控制的目的。

1.2 处理器芯片

为满足系统大数据量快速处理的要求，三款核心芯片均为最新高性能产品，其硬件方面的特点给系统设计带来极大的方便，其优异的运算性能可确保系统的快速实时性。

FPGA芯片采用Xilinx公司近期推出的采用90nm工艺的Spartan3系列的XC3S400，该系列芯片是目前为止工艺最先进、价格较低、单位成本内I/O管脚最多的平台级可编程逻辑器件。XC3S400芯片内部时钟频率可达326MHz，信号摆幅1.14V和3.45V，I/O口支持622Mbps的数据传输率，具有高性能SelectRAM内部存储器，多达4个数字时钟管理器模块和8个全局时钟多路复用缓冲器。

DSP采用ADI公司的最新款基于并行处理设计、具有海量片内RAM的TigerSHARC ADSP TS20差模电感1。其内部集成的RAM容量高达24Mbit，核心速度最高达600MHz。内设双运算模块，每个包含一个ALU、MUL、64bit移位寄存器、32个32bit寄存器组和一个128bit通信逻辑单元，相关的数据对齐缓冲器；双整数ALU，各有独立的寄存器组，提供数据寻址和指针操作；4个128bit宽度内部总线，每个都连接到6个4Mbit的内部存储器块；提供与主机处理器、多处理器空间、片外存储器映射外设、外部SRAM和SDRAM相连的外部端口；14通道DMA控制器；4个全双工低电压差分信号输入的Link Port；具有片内仲裁总线，用于多DSP无缝的连接。

数字化器采用了Philips公司的增强视频输入处理器(EVIP)——SAA7111A模数转换器。该产品广泛应用于个人视频、多媒体、数字电视、可视电话、图像处理、实时监控等领域，纯3.3V CMOS工艺的模拟视频前端和数字视频编码器，能够将PAL一体成型电感/TSC/ECAM视频信号解码为与CCIR-601相兼容的多种数字视频格式，支持TV或VTR信号源的CVBS或S-Video视频电感器的作用信号，最高图像分辨率可达720×576，支持24位真彩色，可以通过串行总线动态配置
SAA7111A模数转换器的工作方式和各种参数。

2 模块设计

2.1 视频采集与数字化模块

由于模拟摄像机采集的是PAL制的复合视频信号(CVBS)，所以必须先将其数字化才能开始后继数字视频处理。视频采集与数字化模块主要包括一片视频多路复用器MAX440、扁平型电感一片SAA7111A、一片I2C接口控制器PCF8584和一些连接逻辑。MAX440用来快速切换来自不同模拟输入端的模拟视频流，SAA7111A模数转换器是该模块的核心，它采集模拟视频，将其数字化为720×576的RGB(8，8，8)真彩色信号格式的数字视频，其输出的RGB真彩色信号为16位，其中高字节和低字节数据周期分别为74ns和37ns，即低字节的频率是高字节的1倍。这样就要利用触发器和两个分别为13.5MHz和27MHz的时钟信号，将输入数据格式转换为24位、周期均为74ns的RGB真彩色信号，此外，它还为整个硬件系统提供必要的时钟和同步信号；PCI接口控制器通过PCF8584来配置和控制SAA7111A，连接逻辑由FPGA实现。

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