基于FPGA的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)載視頻圖形顯示系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性等性能的要求日益提高。常見(jiàn)的系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三種：
（1）基于GSP+VRAM+ASIC的架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是圖形ASIC能夠有效提高圖形顯示質(zhì)量和速度，缺點(diǎn)是國(guó)內(nèi)復(fù)雜ASIC設(shè)計(jì)成本極高以及工藝還不成熟。
（2）基于DSP+FPGA的架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是，充分發(fā)揮DSP對(duì)算法分析處理和FPGA對(duì)數(shù)據(jù)流并行執(zhí)行的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，提高圖形處理的性能；缺點(diǎn)是，上層CPU端將OpenGL繪圖函數(shù)封裝后發(fā)給DSP，DSP拆分后再調(diào)用FPGA，系統(tǒng)的集成度不高，接口設(shè)計(jì)復(fù)雜。
（3）基于FPGA的SOPC架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是，集成度非常高；缺點(diǎn)是邏輯與CPU整合到一起，不利于開(kāi)發(fā)。
經(jīng)過(guò)對(duì)比，機(jī)載視頻圖形顯示系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)具有優(yōu)化空間，值得進(jìn)一步的深入研究，從而設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)性更高的方案。
本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的圖形生成與視頻處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)2D圖形和字符的繪制，構(gòu)成各種飛行參數(shù)畫面，同時(shí)疊加外景視頻圖像。在保證顯示質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)性、減少內(nèi)部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。
1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA為核心，構(gòu)建出一個(gè)實(shí)時(shí)性高的機(jī)載視頻圖形顯示系統(tǒng)。上層CPU接收來(lái)自飛控、導(dǎo)航等系統(tǒng)的圖形和視頻控制命令，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化和預(yù)處理后，通過(guò)PCIe接口傳送給FPGA。本文主要是進(jìn)行FPGA內(nèi)部邏輯模塊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
圖1 機(jī)載顯示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
2 機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)載顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括2D繪圖、視頻處理和疊加輸出。2D繪圖功能包括直線、圓、字符等的快速生成。視頻處理功能包括輸入視頻選擇、視頻縮放、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等處理。疊加輸出功能，將視頻作為背景與圖形疊加，送到兩路DVI輸出，一路經(jīng)過(guò)預(yù)畸變校正后輸出到平顯上，另一路直接輸出來(lái)進(jìn)行地面記錄。
為了滿足上述功能，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖2所示。
圖2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)的整體流程圖
2.1 實(shí)時(shí)性分析
視頻處理既要實(shí)現(xiàn)單純的外視頻處理，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)疊加后視頻處理。以旋轉(zhuǎn)處理為例，若在單純外視頻旋轉(zhuǎn)處理后，與圖形疊加，再進(jìn)行疊加后旋轉(zhuǎn)處理，延遲非常大。因此為了提高實(shí)時(shí)性，考慮將圖形整體和外視頻分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理后，再相互疊加。整個(gè)流程中，幀速率提升模塊延遲最大。
2.1.1 幀速率提升算法
幀速率提升指在原有的圖像幀之間插值出新的圖像幀。常見(jiàn)的幀速率提升算法主要包括幀復(fù)制法、幀平均法和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償法。綜合考慮顯示效果和實(shí)時(shí)性要求，最終選擇幀復(fù)制法。幀復(fù)制法易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量低。其表達(dá)式為：
此處輸入PAL視頻幀速率為25幀/秒，輸出DVI視頻幀速率為60幀/秒，即在0.2s內(nèi)將5幀圖像插值到12幀。如圖3所示，DDR3中開(kāi)辟5幀存儲(chǔ)空間用于存放25Hz的原始圖像，在0.2 內(nèi)輸入5幀原始圖像，輸出12幀圖像。延遲為PAL的1.5~2.6幀，最大延遲為。
圖3 幀速率提升示意圖
2.2 BRAM資源占用
本文設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示系統(tǒng)利用一片DDR3作為外部存儲(chǔ)器，所有圖形和視頻數(shù)據(jù)都需要緩存到DDR3中。為了解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)沖突，需要將數(shù)據(jù)先緩存到內(nèi)部BRAM中。XC7k410T共有795個(gè)36Kb的BRAM。整個(gè)流程中，BRAM資源占用最大的是圖形整體旋轉(zhuǎn)和視頻旋轉(zhuǎn)模塊。
2.2.1 視頻旋轉(zhuǎn)算法
反向旋轉(zhuǎn)映射優(yōu)點(diǎn)是，旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)反向旋轉(zhuǎn)，除了超出原始坐標(biāo)范圍的，在旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)中都能對(duì)應(yīng)到浮點(diǎn)坐標(biāo)，并可以用該坐標(biāo)鄰域的像素點(diǎn)來(lái)唯一確定該坐標(biāo)的像素值，不會(huì)出現(xiàn)“空洞”現(xiàn)象。
圖4 視頻旋轉(zhuǎn)算法示意圖
2.3 DDR3吞吐量分析
本系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大，F(xiàn)PGA內(nèi)部的存儲(chǔ)資源無(wú)法滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，需要配置系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器DDR3。從圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)流程最多經(jīng)過(guò)DDR3共9次，下面依次介紹每次讀寫DDR3的必要性和數(shù)據(jù)量。
① 圖形及字符生成模塊讀寫數(shù)據(jù)，由于圖形及字符生成時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格按照屏幕自上而下、自左而右的順序，所以每一幀圖形都需要存入到DDR3中，并等待一幀處理完再進(jìn)行整體的其他處理。由于像素點(diǎn)操作會(huì)涉及到讀取背景值，所以是雙向的?？紤]吞吐量最大的情況，即圖形生成模塊對(duì)每幀圖形的一半像素點(diǎn)都進(jìn)行一次讀寫操作，則圖形生成模塊讀寫數(shù)據(jù)量為
② 圖形縮放模塊讀數(shù)據(jù)及清屏操作，由于縮放模塊是對(duì)整個(gè)畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來(lái)。而由于圖形及字符不是對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行操作的，所以取出后，需要進(jìn)行清屏操作。則讀寫數(shù)據(jù)量為474.6。
③ 圖形旋轉(zhuǎn)模塊寫數(shù)據(jù)，由于圖形處理速度和視頻處理速度不完全匹配，所以先將縮放及旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3，等待視頻處理完后，再統(tǒng)一取出，寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s。
④ 圖形輸出讀數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像等坐標(biāo)變換操作，寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s。
⑤ PAL視頻輸入數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)去隔行和幀速率轉(zhuǎn)換，必須將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3中進(jìn)行變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為
⑥ 視頻縮放模塊讀數(shù)據(jù)，從DDR3中取出進(jìn)行縮放操作，讀數(shù)據(jù)量為
⑦ 視頻旋轉(zhuǎn)模塊寫數(shù)據(jù)，由于視頻處理速度和圖形處理速度不完全匹配，所以先將縮放及旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3，等待圖形處理完后，再統(tǒng)一取出，讀寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s。
⑧ 視頻輸出讀數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像等坐標(biāo)變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s 。
⑨ 預(yù)畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的四個(gè)預(yù)畸變參數(shù)，則讀數(shù)據(jù)量為
表1為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的計(jì)算表，其吞吐量合計(jì)為2677.6 MB/s 。
表1系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計(jì)算表
本文采用DDR3作為系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器，其型號(hào)為W3H128M72E,數(shù)據(jù)寬度為72比特（64比特為數(shù)據(jù)位，8比特為校正位），采用的時(shí)鐘為400MHz，由于DDR3在上升沿和下降沿都進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，等效于其內(nèi)部讀寫時(shí)鐘為800MHz，即數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s（800MHz*64bit），滿足本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。
3 機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化
設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足性能要求，但是還需要進(jìn)一步優(yōu)化。如圖 5所示，改變不同模塊之間的順序來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)算法。具體改變?nèi)缦拢?/FONT>
① 圖形整體相對(duì)于屏幕的縮放和旋轉(zhuǎn)功能在CPU端發(fā)送命令前實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镃PU端旋轉(zhuǎn)和縮放是針對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行的，方便快速，同時(shí)減少了FPGA的BRAM資源占用，減少了進(jìn)出DDR3的次數(shù)；
② 改進(jìn)幀速率提升算法，進(jìn)一步減少延遲，提高實(shí)時(shí)性；
③ 改進(jìn)視頻旋轉(zhuǎn)算法，進(jìn)一步降低緩存區(qū)的大小，減少BRAM的占用率；
④ 幀速率提升和平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像都需要通過(guò)讀寫DDR3來(lái)完成，將兩者合并，同時(shí)完成，減少進(jìn)出DDR3的次數(shù)。
圖5 FPGA邏輯優(yōu)化的整體流程圖
3.1 實(shí)時(shí)性分析
實(shí)時(shí)性是機(jī)載顯示系統(tǒng)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，為了確保飛機(jī)運(yùn)行安全，必須確保視頻處理的各個(gè)模塊都有較高的實(shí)時(shí)性。視頻采集、視頻縮放、視頻校正、視頻輸出延遲都是幾行，延遲時(shí)間在 以內(nèi)。幀速率提升模塊的延遲遠(yuǎn)大于其他各個(gè)模塊延遲之和，需要進(jìn)一步改進(jìn)，在保證顯示質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步降低延遲時(shí)間。
3.1.1 幀速率提升算法優(yōu)化
改進(jìn)的幀速率提升算法仍使用幀復(fù)制法。在DDR3中開(kāi)辟4個(gè)存儲(chǔ)空間做切換用于存放幀速率為25Hz、場(chǎng)速率為50Hz的PAL圖像。有4個(gè)場(chǎng)緩存區(qū)，當(dāng)接收當(dāng)前幀的奇場(chǎng)后與前一幀的偶場(chǎng)結(jié)合成一幀數(shù)據(jù)輸出。
幀速率改進(jìn)算法示意圖如圖 6所示。A場(chǎng)正好寫完，B場(chǎng)正好讀完，下一幀讀取A場(chǎng)數(shù)據(jù)，這樣延遲為PAL的1場(chǎng)（半幀）；A場(chǎng)正好還差1行寫完，B場(chǎng)已讀完，下一幀繼續(xù)讀B場(chǎng)，這樣延遲為PAL的1+（25/60）=1.42場(chǎng)。延遲為PAL的1~1.42場(chǎng)。最大延遲為。
圖6 幀速率改進(jìn)算法示意圖
3.2 BRAM資源占用
原設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)使用反向映射的方法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)算法，每一行旋轉(zhuǎn)后數(shù)據(jù)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)需要緩存334行視頻旋轉(zhuǎn)前數(shù)據(jù)，即需要279個(gè)36Kb的BRAM。相對(duì)于其它模塊緩存幾行相比，占用了大量的BRAM空間，因此需要改進(jìn)。
3.2.1 視頻旋轉(zhuǎn)算法優(yōu)化
視頻旋轉(zhuǎn)提出了一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)映射法，降低緩存空間。示意圖如圖 7所示。對(duì)以行掃描的方式獲取的視頻圖像，緩存兩行就能開(kāi)始旋轉(zhuǎn)處理，先進(jìn)行正向映射，根據(jù)當(dāng)前兩行對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)后浮點(diǎn)坐標(biāo)，找到兩行內(nèi)的整點(diǎn)坐標(biāo)，再對(duì)其進(jìn)行反向映射，利用當(dāng)前兩行來(lái)得到旋轉(zhuǎn)后整點(diǎn)坐標(biāo)的像素值。
圖7 視頻旋轉(zhuǎn)改進(jìn)算法示意圖
該算法涉及原始圖像中的2*2大小鄰域，為了提高該模塊的處理速度，設(shè)計(jì)了一組由三個(gè)雙端口塊存儲(chǔ)器BRAM組成的原始圖像數(shù)據(jù)緩存器。每個(gè)BRAM用來(lái)存儲(chǔ)1行原始圖像的數(shù)據(jù)，3個(gè)BRAM中存儲(chǔ)的原始圖像數(shù)據(jù)包括當(dāng)前旋轉(zhuǎn)計(jì)算涉及的兩行原始圖像數(shù)據(jù)以及下一行旋轉(zhuǎn)計(jì)算涉及的一行原始圖像數(shù)據(jù)。因此，需要緩存3行，使用3個(gè)36Kb的BRAM。
3.3 DDR3吞吐量分析
從圖5可以看出，優(yōu)化后的系統(tǒng)流程最多經(jīng)過(guò)DDR3共5次，下面依次介紹每次讀寫DDR3的必要性和數(shù)據(jù)量。
① 圖形及字符生成模塊讀寫數(shù)據(jù)，此與原模塊相同，則圖形生成模塊讀寫數(shù)據(jù)量為
② 圖形輸出模塊讀數(shù)據(jù)及清屏操作寫數(shù)據(jù)，由于視頻輸出模塊是對(duì)整個(gè)畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來(lái)，而由于圖形及字符不是對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行操作的，所以取出后，需要進(jìn)行清屏操作。則讀寫數(shù)據(jù)量為474.6 MB/s 。
③ 視頻旋轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)沒(méi)有嚴(yán)格按照屏幕自上而下的順序，必須將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3中進(jìn)行變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為
④ 視頻輸出模塊讀數(shù)據(jù)，從DDR3中取出進(jìn)行視頻輸出操作，取出的同時(shí)還能進(jìn)行一些坐標(biāo)變換操作，如平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像等，讀寫數(shù)據(jù)量為
⑤ 預(yù)畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的四個(gè)預(yù)畸變參數(shù)，則讀寫數(shù)據(jù)量為
表 2為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的計(jì)算表，其吞吐量合計(jì)為2135.7MB/s。DDR3的數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s（800MHz*64bit），滿足本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。
表2 優(yōu)化后系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計(jì)算表
結(jié)論
本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)2D圖形繪制，構(gòu)成各種飛行參數(shù)畫面，同時(shí)疊加外景視頻圖像。實(shí)時(shí)性方面，幀速率提升模塊延遲最大為；BRAM資源占用方面，視頻旋轉(zhuǎn)算法需要279個(gè)36Kb的BRAM；DDR3吞吐量方面，系統(tǒng)吞吐量為2677.6 MB/s。
優(yōu)化后的機(jī)載顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性方面，幀速率提升模塊延遲最大為；BRAM資源占用方面，視頻旋轉(zhuǎn)算法需要3個(gè)36Kb的BRAM；DDR3吞吐量方面，吞吐量為2135.7 MB/s。
經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，優(yōu)化后的機(jī)載顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提高、BRAM資源占用減少、吞吐量降低，整體性能得到了提升。
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