0 引言

　　近年來，由于成像技術(shù)的不斷進(jìn)步以及圖像應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，數(shù)字圖像包含的數(shù)據(jù)量與日俱增，圖像處理算法也越來越復(fù)雜[1]。目前應(yīng)用普遍的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)和圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)技術(shù)雖然在實(shí)現(xiàn)圖像處理上有著廉價(jià)、易于編程的優(yōu)點(diǎn)，但是在性能、功耗、實(shí)時(shí)性方面，它們與FPGA相比仍有巨大的差距，難以滿足嵌入式圖像領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的靈活性、高性能、低功耗的要求。大量研究表明，采用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像處理能夠獲得較高的計(jì)算性能。因此，從計(jì)算性能、實(shí)時(shí)性的角度考慮，F(xiàn)PGA是嵌入式圖像處理應(yīng)用的理想選擇方案[2]。

　　Xilinx公司的ZYNQ-7000系列產(chǎn)品集成了最新工藝的ARM Cortex-A9雙核處理器與高性能的FPGA。作為新一代的可編程片上系統(tǒng)，ZYNQ-7000 SoC非常適合于計(jì)算密集、功能豐富的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。Xilinx公司的Vivado HLS工具將C語言、C++以及系統(tǒng)C語言引入到可編程邏輯設(shè)計(jì)中，而無須通過傳統(tǒng)的硬件描述語言編寫復(fù)雜的程序，大大地加速了IP創(chuàng)建，滿足了處理算法的靈活性[3]。設(shè)計(jì)利用Vivado HLS工具實(shí)現(xiàn)了可變參數(shù)的拉普拉斯算子圖像濾波算法，將生成的IP加入到ZYNQ-7000的可編程邏輯部分，用于處理OV7670攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)。移植Ubuntu Linux桌面系統(tǒng)到ZYNQ-7000雙核處理器中，利用Qt工具編寫上位機(jī)人機(jī)交互控制界面與下位機(jī)顯示程序，實(shí)現(xiàn)了嵌入式Linux可視化實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　ZYNQ-7000嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由OV7670攝像頭、ZYNQ-7000 SoC、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元DDR3、HDMI顯示器以及上位機(jī)等組成。ZYNQ-7000 SoC作為整個(gè)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的核心，包括處理系統(tǒng)(Processing System，PS)和可編程邏輯(Programmable Logic，PL)兩部分，其中PS部分主要包含了雙ARM Cortex-A9核，PL部分包含了傳統(tǒng)意義的DSP資源和FPGA邏輯單元。

　　1.1 PL部分實(shí)現(xiàn)的功能

　　可編程邏輯PL部分實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

　　(1)從OV7670攝像頭中獲取圖像數(shù)據(jù)，并通過視頻存儲(chǔ)器直接訪問（Video Direct Memory Access，VDMA）傳輸至DDR3存儲(chǔ)芯片中存儲(chǔ)；

　　(2)將DDR3中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)通過VDMA傳輸?shù)娇勺儏?shù)的拉普拉斯濾波算法IP模塊進(jìn)行圖像處理，并把處理生成的圖像數(shù)據(jù)通過VDMA重新傳輸?shù)紻DR3；

　　(3)PL中的顯示模塊配合VDMA構(gòu)成嵌入式Linux的硬件顯示單元。

　　圖像采集采用OV7670攝像頭，OV7670圖像傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB 總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率的8位影像數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)選用RGB565、VGA640×480作為輸出格式，將相應(yīng)的寄存器值通過SCCB控制模塊寫入到寄存器中，并把采集的數(shù)據(jù)通過AXI4 Stream接口協(xié)議寫入到DDR3中。在該設(shè)計(jì)中，通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)SCCB圖像控制與圖像接收模塊的設(shè)計(jì)。

　　1.2 PS部分實(shí)現(xiàn)的功能

　　處理系統(tǒng)PS部分實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

　　(1)運(yùn)行Ubuntu桌面系統(tǒng)，為上層應(yīng)用提供操作系統(tǒng)支持；

　　(2)調(diào)用編寫的VDMA、HDMI圖像顯示驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與PL數(shù)據(jù)交互、桌面系統(tǒng)顯示的功能；

　　(3)實(shí)現(xiàn)Qt編寫的上層應(yīng)用程序及網(wǎng)絡(luò)編程等。

　　如圖1所示，VDMA提供了PL與DDR3存儲(chǔ)器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。VDMA具有兩個(gè)數(shù)據(jù)端口：MM2S和S2MM。MM2S和S2MM的最大數(shù)據(jù)位寬均為64 bit，緩存區(qū)深度為512 B[4]。其中S2MM端口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)從PL向DDR3存儲(chǔ)器傳輸，MM2S端口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)從DDR3存儲(chǔ)器向PL傳輸。ARM處理器可以通過通用接口AXI_GP對(duì)VDMA進(jìn)行控制。

2 拉普拉斯算子濾波算法的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 拉普拉斯算子濾波算法

　　拉普拉斯算子是圖像處理技術(shù)中常見的一種增強(qiáng)算子，因?yàn)榫哂行D(zhuǎn)不變性、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于圖像銳化和高頻增強(qiáng)等算法中。圖像信號(hào)中，高頻分量一般對(duì)應(yīng)于圖像的邊緣輪廓，采用拉普拉斯算子的圖像濾波算法能夠?qū)崿F(xiàn)圖像銳化、增強(qiáng)圖像輪廓清晰度的效果。拉普拉斯算子是最簡(jiǎn)單的各向同性微分算子，具有旋轉(zhuǎn)不變性。一個(gè)二維圖像函數(shù)的拉普拉斯變換是各向同性的二階導(dǎo)數(shù)，定義為：

　　該方程的離散形式為：

　　拉普拉斯算子可以表示成模板的形式，如圖2(a)所示，圖2(b)表示其擴(kuò)展模板，圖2(c)和圖2(d)則分別表示其他兩種拉普拉斯的實(shí)現(xiàn)模板。

　　2.2 Vivado HLS實(shí)現(xiàn)算法編寫

　　Vivado HLS利用C語言、C++語言以及系統(tǒng)C語言提供的高級(jí)結(jié)構(gòu)來提高抽象層次，提供數(shù)據(jù)原語方便使用基礎(chǔ)硬件構(gòu)建IP模塊。與使用RTL相比，Vivado HLS代碼更加緊湊，可讀性和可維護(hù)性更加優(yōu)良，可以更輕松地實(shí)現(xiàn)各種接口協(xié)議，從簡(jiǎn)單的FIFO接口到完整的AXI4 Stream，滿足不同模塊間的數(shù)據(jù)通信。

　　Vivado HLS實(shí)現(xiàn)拉普拉斯算法流程如圖3所示。數(shù)據(jù)處理按照?qǐng)D中箭頭依次進(jìn)行，數(shù)據(jù)在單個(gè)單元中并行運(yùn)算或在不同單元間并行移動(dòng)。每個(gè)時(shí)鐘周期AXI4 Stream接口將24 bit的一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)送入算法模塊中，先經(jīng)過灰度處理，然后存入2×640的行緩存中，行緩存和新的數(shù)據(jù)構(gòu)成3×3的窗口數(shù)據(jù)，窗口的9個(gè)數(shù)據(jù)和AXI_GP接口傳輸進(jìn)來的拉普拉斯算子參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到一個(gè)新的8 bit像素?cái)?shù)據(jù)送回到DDR3中。

　　編寫的算法在XC7Z010器件上的資源占用率如表1所示，可以看出，只用了PL很少的資源便實(shí)現(xiàn)了圖像濾波算法。

　　2.3 Qt實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制程序

　　良好的人機(jī)交互功能是嵌入式系統(tǒng)重要的一部分[5]。設(shè)計(jì)采用Qt Creator開發(fā)工具在PC上實(shí)現(xiàn)了控制端應(yīng)用程序，如圖4所示。PC通過以太網(wǎng)與下位機(jī)進(jìn)行連接，在控制端輸入不同的拉普拉斯算子，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同的濾波效果，并將濾波后的圖像顯示在下位機(jī)的HDMI顯示器上。

3 設(shè)計(jì)仿真與系統(tǒng)測(cè)試

　　3.1 Vivado HLS仿真

　　Vivado HLS除了將高效的編程代碼轉(zhuǎn)換為IP以外，還提供了另一項(xiàng)重要功能：C語言仿真和C/RTL協(xié)同仿真。C語言仿真中C/C++的編譯和執(zhí)行與常見的C/C++程序相同，具有良好的可讀性和高效性。C/RTL協(xié)同仿真會(huì)根據(jù)C/C++測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)生成RTL測(cè)試平臺(tái)，設(shè)置并執(zhí)行RTL仿真，檢查實(shí)現(xiàn)方案的正確性。C語言仿真測(cè)試代碼如下：

　　IplImage* src=cvLoadImage("lena.jpg");//加載測(cè)試圖片

　　AXI_STREAM  src_axi, dst_axi;//定義流數(shù)據(jù)類型變量

　　IplImage2AXIvideo(src, src_axi);

　　//圖片轉(zhuǎn)換為流數(shù)據(jù)類型

　　Laplasian_fil(&lap00,&lap01,&lap02，&lap10,&lap11,

　　&lap12,&lap20,&lap21,&lap22,src_axi, dst_axi);

　　//濾波算法主函數(shù)

　　AXIvideo2IplImage(dst_axi, dst);

　　//流數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為圖片

　　cvSaveImage("lena_result.jpg", dst);//保存圖片

　　測(cè)試程序首先將本地用于測(cè)試的圖片轉(zhuǎn)換為AXI4 Stream接口協(xié)議數(shù)據(jù)，并設(shè)置拉普拉斯算子的值，然后將圖片數(shù)據(jù)和拉普拉斯算子以參數(shù)的形式送入到圖像濾波算法中，濾波后的圖片會(huì)以jpg的形式存入本地。測(cè)試原圖片及生成圖片如圖5所示。

　　3.2 系統(tǒng)測(cè)試

　　測(cè)試系統(tǒng)采用Xilinx公司提供的ZyBo開發(fā)板，該開發(fā)板搭載了XC7Z010主芯片，擴(kuò)展外設(shè)通過PMOD接口與OV7670攝像頭進(jìn)行連接，PC通過板載以太網(wǎng)接口和串行接口與ZyBo通信，HDMI顯示運(yùn)行的Ubuntu桌面系統(tǒng)。

　　控制端輸入圖2中不同的拉普拉斯算子得到的處理結(jié)果如圖6所示，結(jié)果完全滿足每秒30幀、RGB640×480格式圖像實(shí)時(shí)濾波的要求。

4 結(jié)論

　　基于ZYNQ-7000異構(gòu)架構(gòu)的圖像處理系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)，如圖形界面、用戶輸入、網(wǎng)絡(luò)、DDR3控制等，還可以提供高性能實(shí)時(shí)圖像處理的功能[6]。采用Xilinx最新的Vivado HLS工具進(jìn)行FPGA高層次設(shè)計(jì)對(duì)圖像算法進(jìn)行加速，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率，并且能夠快速生成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IP核，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證結(jié)果表明了基于ZYNQ-7000異構(gòu)架構(gòu)和Vivado HLS工具的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)易于移植，便于針對(duì)特定應(yīng)用定制，為未來的高性能圖像處理提供了較高的工程應(yīng)用與參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 何賓.Xilinx FPGA設(shè)計(jì)權(quán)威指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

　　[2] 陸佳華，江舟.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

　　[3] 陸啟帥，陸彥婷，王地．Xilinx Zynq SoC與嵌入式Linux設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)指南[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2014.

　　[4] KARRAS K，HRICA J．Vivado HLS推動(dòng)協(xié)議處理系統(tǒng)蓬勃發(fā)展[DB/OL].(2014-09-16)[2016-03-01]．http：//xilinx.eetrend.com/article/7676.

　　[5] 梁柱華，顧新．嵌入式Linux實(shí)時(shí)性的研究[J].電子科技，2005（11）：57-60，64.

　　[6] 焦再強(qiáng)．基于Zynq-7000的嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．太原：太原理工大學(xué)，2015.