作者：Nick

該系列前兩篇主要扯了扯Linux中GUI相關(guān)的DRI框架及相關(guān)組件實(shí)現(xiàn)方式。細(xì)想一下，對(duì)于GUI相關(guān)的加速能做的其實(shí)不多，開(kāi)發(fā)一個(gè)2D或3D的顯卡加速子模塊對(duì)于一個(gè)DEMO教程的量級(jí)來(lái)說(shuō)工作量太大，我們?cè)谶@只實(shí)現(xiàn)一下簡(jiǎn)單的功能：

通過(guò)Zynq的PL部分實(shí)現(xiàn)對(duì)Qt視頻播放器中待輸出的Framebuffer的二值處理；

1、 簡(jiǎn)單的處理介紹

上述處理十分簡(jiǎn)單，對(duì)于一幅分辨率為M*N的灰度圖像來(lái)說(shuō)，二值化的處理如下：

，其中

表示圖像上任意一點(diǎn)灰度值，

為二值化閾值，對(duì)于RGB圖像來(lái)說(shuō)（以RGB888為例），RGB轉(zhuǎn)化為灰度圖的表達(dá)式如下：

，對(duì)于此例不怎么嚴(yán)格的要求，采用16位的定點(diǎn)化精度足以，對(duì)應(yīng)著表達(dá)式如下：

2、 FPGA加速方案

圖像（預(yù)）處理的本質(zhì)其實(shí)是二維數(shù)據(jù)的處理，常見(jiàn)的圖像預(yù)處理分為以下幾類：

1、 線性濾波，如噪聲平滑，邊緣增強(qiáng)；

2、 非線性濾波，如零交點(diǎn)檢測(cè)等；

3、 形態(tài)學(xué)濾波，如膨脹腐蝕等；

4、 其它相對(duì)較復(fù)雜的圖像處理；

上述幾種圖像處理在信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)都是局部濾波器的實(shí)現(xiàn)，以線性濾波為例，濾波器函數(shù)可表示為滑窗內(nèi)像素的權(quán)值與像素值的乘加之和，此處權(quán)重指的是滑窗內(nèi)各個(gè)算子的大小，表達(dá)如下：

其中其中

其中

為滑窗對(duì)應(yīng)的算子，i，j的取值范圍有滑窗大小決定。FPGA特別適合這類流水式的運(yùn)算。，內(nèi)部的DSP硬核或者由slice搭建生成的乘加器，是線性濾波的核心運(yùn)算單元。以一個(gè)3X3的窗口為例，對(duì)應(yīng)的濾波操作如下圖所示：

對(duì)于上述的幾點(diǎn)解釋如下：

1、 粉色框?qū)?yīng)著圖像的緩存部分，對(duì)于線性濾波計(jì)算，滑窗的尺寸（算子的size）越大，所需要緩存的容量越大，緩存一般使用片內(nèi)的block ram或distribute ram。當(dāng)然，我們也可以使用片外存儲(chǔ)，如DDR，但片數(shù)據(jù)片內(nèi)外的搬運(yùn)會(huì)造成較大的延時(shí)，因此，在設(shè)計(jì)之初我們就得在延時(shí)及滑窗size之間做好tradeoff。

2、 藍(lán)色部分為最終輸出的圖像濾波結(jié)果。由于緩存的存在，整體的圖像刷新輸出會(huì)比輸入延遲a*(W-1)+a-1個(gè)像素clk，其中a為滑窗的size，W為前篇中介紹的drm_framebuffer結(jié)構(gòu)體中width值。

二值化的處理其實(shí)可以看做簡(jiǎn)化的滑窗濾波操作，此時(shí)的a=1，算子值為1，滑窗結(jié)果通過(guò)一個(gè)比較器輸出二值化結(jié)果。影響二值化的參數(shù)為閾值大小，此處我們將這些需要配置的參數(shù)通過(guò)AXI_lite總線暴露給PS（ARM）端，讓軟件（運(yùn)行在PS端的Qt上位機(jī)）動(dòng)態(tài)配置。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：

3、 FPGA加速效果及性能分析

FPGA的處理速度取決于：

• 芯片速度等級(jí)（支持的最高頻率）；
• 加速模塊的設(shè)計(jì)方案（并行化設(shè)計(jì)、利用資源換時(shí)間）；

在本例中，處理速度取決于pixel的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘（本處50MHz），即大致60（FPS）*1080*720。

皮一下很開(kāi)心，用海賊王的一小段打斗場(chǎng)面做了測(cè)試，效果請(qǐng)點(diǎn)擊視頻觀看： https://v.vzuu.com/video/1095730086900211712?autoplay=false&useMSE=
編輯：hfy