一种通用的基于FPGA的视频和图像处理可重构平台JieLi,HaiboHe,HongMan史蒂文斯科技学院电子与计算机工程系美国新泽西州07030霍博肯{jli8，hhe，Hong.Man}@stevens.eduSachiDesai美国陆军武器研究发展和工程中心（ARDEC）新泽西州07806皮卡汀尼{sachi.desai}@us.army.mil摘要本文提出了一种通用的多任务可重构的视频和图像处理的平台。如今在许多视频和图像处理应用中，对处理能力的要求越来越高。所以超越软件实现，提供实时、低成本、高性能、可扩展硬件平台很重要。在本论文中，我们提出一个系统，在现场可编程门阵列(FPGA)中运用强大的并行处理结构来实现这一目标。根据拟议系统的层次体系结构和设计策略，在Xilinx的Virtex-IIFPGA的嵌入式一体化处理器，内存控制和接口技术上开发了一个原型系统。我们的系统包括不同的功能模块，如边缘检测，放大和缩小的功能，根据不同的应用要求，它使该系统作为通用的视频处理平台的灵活性很强。最终的系统利用了20％的逻辑资源，50％的片内存储器，总功率消耗约203mw。关键词可重构系统，FPGA设计，视频和图像处理，边缘检测，图像缩放。1、引言视频和图像处理在当今消费电子产品社会中发挥了重要作用。在过去几十年来，关于这种技术，我们目睹了巨大的技术发展。随着这方面不断的技术革新，在消费类电子产品的研究团体中已经提出许多新的机遇和挑战。例如，视频切换技术从标准清晰度（SD）到高清晰度（HD）处理的数据需要增加6倍［1］。视频监控也在不断变化，从传统的通用中间格式（CIF）到D1的标准。为此，要增加处理能力的要求，如带宽，实时计算，低延迟，高产能和低功耗，一直是学术界和工业界主要努力研究的焦点。视频和图像处理传统的计算通常需要高性能的专用硬件实现。虽然这样的专用集成电路（ASIC）通常可以提供高密度节能系统，但它需要一个复杂的设计过程。幸运的是，亚微米和深亚微米技术的发展使FPGA成为许多应用程序的强大的硬件平台［2］［3］。例如，一个命名为Winscale的使用区域像素模型的图像缩放算法在FPGA已实施［4］。此实现有五个功能块，包括预分频器、行缓冲器、win滤波器、过滤器窗口内插器和滤波参数发生器。经过综合，最终的系统总共有29000个NAND等效门。在文献[5]中，有一个基于FPGA的SPIHT算法，一个基于小波的图像压缩编码器。各类离散小波的变换结构，是利用三个XilinxVirtex2000EFPGA程序在WildStar处理器板实现。据报道，最终的系统实现了对一个微处理器解决方案450倍提速。在文献［6］中提出了一个基于FPGA的实时光流处理系统。该系统采用流水线结构，并在XilinxXCV2000E的VirtexFPGA中实现。软件仿真和硬件测试结果都说明了该方法的有效性。在文献[7]中，提出了一种液晶电视视频处理引擎，具有精确的运动检测和人工消除锯齿能力。该系统使用视频领域的时间和空间信息来作精确运动检测，并通过一个窗口扩大搜索方法来低角度边缘检测。并提交了系统级FPGA架构以及各种仿真和验证结果。在文献[8]中，提出一种实施低成本电视机顶盒（STB）的方法能扩大迹象图像，解码非公开字幕的方法。这个系统的FPGA实现关键包括一个27MHz的8位微控制器，一个图像扩展器和一个屏幕上显示单元。据报道，该系统能解码泰语和英文字幕。文献[9]中，提出一个多窗口的部分缓冲（MWPB）计划，作为图像和视频处理的二维卷积器。与所有备选计划相比较，MWPB计划使片上资源的利用和外部存储器总线带宽可以良好的平衡。基于FPGA的视频和图像处理系统的其他工程包括运动的数字电影摄影机系统的JPEG2000[10]，在Xilinx的Virtex-II的FPGA实现的一个完全频率复用平面滤波器模块（FMFPM）[11]等等。现有的FPGA设计大多集中在实施具体算法领域的具体应用。如果有的话，目前也只有极少数通用硬件平台支持和促进复杂的视频和图像处理。因此，重构、成本低、可扩展的平台对于这一领域是高度可取的。为此，我们提出了一个包括嵌入式处理器、内存控制和接口技术的基于FPGA的系统来实现这一目标。本文的其余部分组织如下。第二节介绍了所提出的FPGA平台的系统高层体系结构。在第三节中，我们提出了详细的实施以及设计出不同功能模块的结构。...