运用FPGA进行控制平面/数据平面视频处理

　　图2：向导启动屏幕截图和已完成的系统。

　　第二种方法是调整现有的参考设计。FPGA参考设计不断发展并已成为市场的焦点。在我们的案例研究中使用的参考设计具有完整的微处理器系统、存储器、外设和720pHD数字信号处理流水线。因此，该系统相当于一款完整的控制平面/数据平面解决方案。在该参考设计中，由处理器控制增益和流水线中的FIR滤波器。使用C-to-FPGA工具创建目标探测和高亮显示模块，让整个系统具备功能所化的时间不到20个小时。

　　该处理器可以使用板卡支持包（BSP）提供的补充驱动程序来控制数据流水线。目前已有面向Linux的驱动程序，可以让处理器直接控制数据处理流水线。Linux调用包括从Linux应用中打开I/O器件，然后针对该器件进行读出或者写入。

　　HD视频识别系统案例研究

　　目标检测和识别广泛应用于监控、医学成像和工厂自动化等行业。图像的分辨率越高，目标识别的准确度越高。因此，对HD摄影机和相关的HD视频流处理功能的需求较为强劲。我们的案例研究从这个问题（受一部著名的动画电影启发）出发：我们能否检测并高亮显示720pHD视频流中的小丑鱼？

　　该设计需要16位色谱，以便识别小丑鱼的条纹图案。一旦识别，小丑鱼在屏幕上将被移动的聚光灯并高亮显示。此外，聚光灯的大小经设计后可以随匹配的似然性而调整（实际上，系统降低了聚光灯外的其他区域的图像亮度）。聚光灯的尺寸变化和形状计算以及为在每个像素位置搜索克隆鱼所进行的比较，将需要大量的计算以使其工作于74.25MHz的时钟周期。显然，这样的处理要求大大超出了一般嵌入式处理器的能力。

　　在这种情况下，最好的解决办法是把流数据处理转移到协处理器上。在FPGA内部实施协处理器能够以最低成本灵活构建能够满足性能要求的解决方案。因此，基于FPGA的控制平面/数据平面架构就是最佳的选择。FPGA嵌入式处理可以通过总线接口控制负责接收视频数据、探测小丑鱼、高亮显示小丑鱼并输出供显示之用的视频数据的数字信号处理流水线。

　　因此，在本目标检测和高亮显示案例中，我们选择50MHz的MicroBlaze嵌入式处理器来管理和控制74.25MHz的数据处理流水线，同时管理用户界面。在免除了实际执行视频处理的责任后，处理器可以处理许多其他的功能，比如托管以太网数据通信、管理图形用户界面、对数据处理流水线进行精细控制（例如，逐帧增益控制）等。

　　诸如Linux这样的操作系统是提供多任务功能、网络协议栈和用户界面语言支持的理想选择。图3显示了所实施系统的方框图。该解决方案可以在高数据处理带宽需求和用软件控制数据处理方式之间实现理想的平衡。

　　图3：小丑鱼探测器控制平面/数据平面系统。