摘 要：實(shí)時(shí)圖像處理是圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。給出了一種基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片的實(shí)現(xiàn)方案，首先介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架，然后針對(duì)框架內(nèi)核心模塊闡述了相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)原理，最后以Xilinx FPGA 開(kāi)發(fā)板系列ML-506（核心芯片Virtex-5 XC5VSX50T FFG1136）。為驗(yàn)證平臺(tái)，結(jié)合各種軟件仿真工具對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該方案能夠很好地滿足實(shí)際的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

　　1 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像處理在多媒體、圖像通信等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。FPGA 芯片在集成度、容量和速度方面都達(dá)到了較高的水平，是實(shí)時(shí)圖像處理的理想選擇，基于FPGA 的圖像處理芯片的研究已成為信息產(chǎn)業(yè)的新熱點(diǎn)。USB2.0 接口是一個(gè)傳輸速率可以達(dá)到480Mb/s的串行接口，并由不同類型的外圍設(shè)備共享這個(gè)接口總路線，基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片是按照USB協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)的。USB2.0 接口的面世，推動(dòng)了高清數(shù)碼攝像頭的普及應(yīng)用，加上同期寬帶的飛速發(fā)展，電腦攝像頭的本地和遠(yuǎn)程視頻效果都有了大幅度提升。國(guó)內(nèi)USB2.0 的視頻圖像處理芯片現(xiàn)在發(fā)展迅速，比如深圳的艾科創(chuàng)新、珠海的炬力等公司都相繼推出了各自的產(chǎn)品。本文介紹了一種基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片的實(shí)現(xiàn)方案，并在搭建的仿真和驗(yàn)證平臺(tái)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能仿真和FPGA 驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)本設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　2 基于USB2.0的視頻圖像處理芯片的整體實(shí)現(xiàn)方案

　　基于USB2.0 視頻圖像處理芯片在硬件上由8 個(gè)模塊組成：微處理器模塊（MCU）、MCU 總線接口模塊（MCU Bus Interface）、USB2.0 收發(fā)器模塊（USB2.0PHY）、USB2.0 串行接口引擎模塊（USB2.0 SerialInterface Engine，簡(jiǎn)稱USB2.0 SIE）、數(shù)據(jù)緩沖模塊（Data Buffer）、DMA 傳輸控制器模塊（DMA）、圖像處理單元 （PU） 、圖像預(yù)處理單元（PPU）。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖1 所示。

　　圖1 基于USB2.0 的視頻圖像處理芯片結(jié)構(gòu)框圖

　　其中，MCU模塊、USB2.0 PHY模塊和USB2.0 SIE模塊使用已有的IP 核，而其它模塊均采用硬件描述語(yǔ)言（Verilog HDL）自行設(shè)計(jì)。

　　MCU 模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作；MCUBus Interface 模塊負(fù)責(zé)各模塊的部分地址譯碼及相關(guān)數(shù)據(jù)的選通，以便于MCU 統(tǒng)一管理。USB2.0 PHY 模塊負(fù)責(zé)USB 物理層的鏈接，并將USB2.0 的總線信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)的UTMI 接口信號(hào)；USB2.0 SIE 模塊負(fù)責(zé)處理USB 協(xié)議層的操作，完成USB 協(xié)議包生成和解析，以及接收來(lái)自DMA 的圖像數(shù)據(jù)，并將其保存在數(shù)據(jù)緩沖模塊，完成與MCU 進(jìn)行的互動(dòng)；DataBuffer 負(fù)責(zé)將處理后的圖像數(shù)據(jù)緩存起來(lái)，以備USB 同步幀傳輸時(shí)取出后發(fā)送至PC;DMA 模塊完成將PU 處理后的圖像數(shù)據(jù)傳送給USB2.0 SIE;PPU 模塊完成獲取來(lái)自Sensor傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種圖像方面的處理，然后將處理后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至PU.

　　3 PPU模塊中核心部件的設(shè)計(jì)

　　PPU 模塊所完成的功能主要是：（1） YCbCr4:2：2格式到Y(jié)CbCr4:4：4 格式的轉(zhuǎn)換；（2） RGB565 格式到RGB888 格式的轉(zhuǎn)換；（3） Bayer 數(shù)據(jù)壞點(diǎn)修正及Bayer格式到RGB888 格式的轉(zhuǎn)換。其中第三個(gè)功能是本模塊的最重要的功能，本方案中采用了“兩條線偽雙端口+六級(jí)流水線”的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖2所示。

　　圖2 Bayer 數(shù)據(jù)壞點(diǎn)修正及格式轉(zhuǎn)換的硬件原理圖。

　　從圖2 可以知道，在本方案中把壞點(diǎn)修正算法與格式轉(zhuǎn)換算法做在了一個(gè)模塊中。壞點(diǎn)地址存儲(chǔ)模塊，主要是用來(lái)接收從MCU 輸出的壞點(diǎn)信息。偽雙端口RAM1、RAM2 是用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)Bayer 圖像中的前兩行數(shù)據(jù)。而右端的六級(jí)流水線模塊，它的作用是完成相應(yīng)的壞點(diǎn)修正和格式轉(zhuǎn)換。其中，六級(jí)流水線的前面五級(jí)的作用是完成3×5 窗口的壞點(diǎn)修正，而后面三級(jí)是為了完成3×3 窗口的格式轉(zhuǎn)換。

　　邏輯管理模塊的主要作用是統(tǒng)一管理六級(jí)流水線的相應(yīng)操作，其內(nèi)部包含一些計(jì)數(shù)器、比較器。從圖中還可以看到，P24、P34 分別把數(shù)據(jù)寫入了RAM1、RAM2，這主要是為了更新RAM 中的數(shù)據(jù)，使得3×6 窗口能夠漫游Bayer 圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)。同時(shí)本設(shè)計(jì)對(duì)圖像的邊緣也做了很好的處理，采用鏡像技術(shù)對(duì)邊緣做了很好的修正。