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LEON3開源軟核處置賞罰器靜態圖象邊緣檢測SoC設計

宣布時間:2015年04月16日 11:04    宣布者:designapp
要害詞: LEON3 , SOC , 靜態圖象邊緣檢測 , 部門熵算法 , IP

        邊緣檢測是圖象處置賞罰和盤算機視覺中的基礎效果,邊緣檢測的目的是標識數字圖象中亮度變換顯著的點。邊緣檢測是圖象處置賞罰和盤算機視覺中,特殊是特點提取中的一個研究領域。
本文接納部門熵邊緣檢測算法,將圖象網絡,邊緣檢測和圖象顯示三個部門封裝設計為IP(Intellectual Property)核,經由歷程AMBA APB總線嵌入到LEON3的經典SoC架構中。完成了多路數據并行處置賞罰和DSP模塊加速處置賞罰,合營CPU軟核的協調參數裝備功效,可以充實驗展硬件設計的高速性和無邪性。此外,由于靜態圖象邊緣檢測是圖象處置賞罰應用中必弗成少的一部門,是以文中設計的靜態圖象邊緣檢測SoC可以便利的移植到其他圖象處置賞罰應用中,具有普遍的應用遠景。
1 SoC和LEON3開源軟核處置賞罰器
SoC是系統級芯片的簡稱,系統不只包羅了處置賞罰器內核、存儲器等硬件系統,同時還含有照應的嵌入式軟件,是一個真實的軟、硬件均具有的完全系統。應用SoC設計措施,可以將一個严重年夜的系統集成到單一芯片中,并具有低功耗,低資源及高速性的特點。與應用ASIC完成的SoC相比,應用FPGA完成的SoC具有可裝備性的特點,是以具有更好的可擴年夜性和可移植性。
LEON3開源軟核處置賞罰器是Gaisler Research公司提出的一款32位、切合SPARC V8結構的開源軟核處置賞罰器。它具有高性能,低严重年夜性和低功耗的優點。另外,所有屬于GRLIB的IP核及LEON3處置賞罰器的源代碼在GNU GPL(GNU General Public License,GNU通用公共允許證)授權協定下,可以收費地應用于研究和教授修養目的,是以,LEON3開源軟核處置賞罰器特殊合適于SoC的開發設計。
2 SoC系統架構設計
經由歷程剖析系統的功效與請求,團結LEON3自己架構的特點,設計基于APB總線的靜態圖象邊緣檢測Soc系統架構如圖1所示。自界說IP核為本設計的重點。在LEON3的SoC架構中,APB焦點低速總線為一些低速模塊供應了接口。若想要在APB總線完成靜態圖象的實時網絡、處置賞罰和顯示,就要想措施使網絡到的數據不加入到總線傳輸中去。


圖1 基于APB總線的SoC架構完成框圖


在本設計中,經由歷程接納片上存儲資源做FIFO的措施,使得攝像頭網絡到的數據得以緩存,終究在顯示器上顯示。在數據輸入顯示之前,可以選擇能否經由圖象邊緣檢測算法模塊處置賞罰。若經由模塊,則顯示圖象經由邊緣檢測后的效果;若不經由,則顯示原始圖象。
經由歷程這類措施,防止年夜量圖象數據加入AHB與APB總線之間的數據傳輸,以增添不須要的中央歷程,前進數據的實時性。這樣就防止了APB總線低速、低帶寬與靜態圖象邊緣檢測系統高速、高帶寬的抵觸。使得所有圖象的數據流都在白界說IP核外部得隨處置賞罰,這樣既知足了APB總線的約束也完成了系統的功效需求。



       
3 靜態圖象邊緣檢測SoC的完成
本設計提出了一種集圖象網絡、存儲、處置賞罰和顯示于一個IP核的設計措施,也是靜態圖象邊緣檢測SoC設計的焦點部門。
3.1 部門熵算法的硬件完成
部門熵邊緣檢測算法的基礎頭腦是:選擇待處置賞罰像素點的8鄰域,即以待處置賞罰像素點為中央的3×3窗口;再由部門熵的界說式(公式1)盤算出圖象3×3窗口的部門熵;



然后經由歷程與給定的閾值阻拦較量,取得二值化圖象,便可得出圖象的邊緣。硬件完成的處置賞罰歷程為流水線要領,處置賞罰的工具為3×3年夜小的圖象窗口。詳細法式模范以下:
①3×3窗口的發生。3×3窗口主要經由歷程片上緩存和延時單元完成。圖2是以經由3個時鐘為例說清晰了了同步發生3×3窗口中一行數據的歷程。


圖2 同步數據的發生


②熵值的盤算。將法式模范1中取得的3×3窗口的9個并行數據途經兩路阻拦處置賞罰。關于3×3窗口,式(1)化簡為式(2):



3×3窗口的9路并行數據,一邊送去做并行相加求和,再求平方,作為除法運算的分母;同時把9個數據劃分求平方,再求合,作為除法運算的分子。在做除法運算前,為確保其盤算精度,要先將分子與分母轉換成IEEE-745浮點數后再阻拦浮點除法運算。最后還要把除法運算的結算轉換成整數,推敲到除法運算的效果能夠小于1,因此在轉換整數前縮小年夜1000倍,即生涯3位有小數有用位,最后將轉換后的整數輸入,至此完成下場部熵值的盤算歷程。部門熵值盤算的硬件處置賞罰流程如圖3所示:


圖3部門熵值盤算流程體現圖


③閾值較量及二值化處置賞罰。②中曾經取得了縮小年夜1000倍后的熵值,在這里只需經由歷程一個較量電路,當熵值年夜于閾值時,輸入0;當熵值小于閾值時,輸入1。這樣就取得一幅二值化后的邊緣圖象。至此,完成了所有部門熵邊緣檢測算法的硬件完成。



       
3.2 自界說IP接口設計
自界說IP核包羅以下幾個主要部門:圖象網絡(D5M攝像頭接口);圖象制式轉換;圖象存儲;圖象顯示(LTM顯示接口);圖象邊緣檢測模塊;自界說存放器。
圖4給出了基于APB焦點低速總線所設計的圖象邊緣檢測IP核的外部接口旌旗燈號圖。由圖中可知,此IP核的接口旌旗燈號可分為:


圖4 用戶界說圖象邊緣檢測IP核接口


①系統時鐘與復位旌旗燈號:是所有LEON3架構所共用的時鐘旌旗燈號和復位旌旗燈號,而iCLK_50是由外部直接引入的頻率為50MHz的時鐘,未經由PLL處置賞罰。
②IP核控制旌旗燈號:主要完成IP核的觸發功效和阻拦功效。
③APB總線的輸入旌旗燈號和輸入旌旗燈號:此旌旗燈號主要用于APB總線控制、IP核選擇、IP核使能等,其中包羅對IP核外部存放器的設置都是經由歷程APB總線旌旗燈號來完成的。
④D5M攝像頭輸入旌旗燈號和輸入旌旗燈號:此旌旗燈號主要完成對D5M攝像頭的裝備和數據網絡。
⑤LTM顯示器輸入旌旗燈號和輸入旌旗燈號:此旌旗燈號用于對LTM顯示器的裝備。由于基于APB總線的IP核集成D5M攝像頭、LTM顯示器和邊緣檢測算法于一體,以是外部接口旌旗燈號相對較多。但就APB總線自己而言,其旌旗燈號著實不多,這也是基于APB總線的設計措施相對簡樸的緣由。
3.3 自界說IP核的結構設計
有關“基于APB焦點低速總線圖象檢測IP核的完成基礎頭腦部門”略——編者注。
基于APB總線的IP核框架結構如圖5所示。


圖5 用戶界說圖象邊緣檢測lP核結構




       
4 實驗效果
4.1 靜態圖象邊緣檢測算法硬件完成仿真與剖析
文中首先應用Matlab驗證局域熵邊緣檢測算法設計的準確性,然后接納Verilog HDL硬件形貌語言編寫圖象邊緣檢測算法,在算法完成歷程當中,為前進算法的性能,接納了Quartus II中自帶的DSP加速宏模塊。同時,為驗證仿真算法的準確性,編寫Testbench系統測試文件,對其阻拦仿真驗證,圖6為局域熵邊緣檢測算法的硬件仿真時序圖。


圖6 局域熵邊緣檢測算法硬件完成仿真時序圖


從圖6中,可以看到3×3窗口發生的歷程,L1~L3為接納片上緩存的措施完成的三行數據的同步。X1~X9對應3×3窗口中的9個像素點。圖中終究的數據輸入是有一準時延的,這是由于算法中存在年夜量的乘加運算和浮點數運算组成的。
在完成算法的同時,推敲到所選芯片供應了可用于加速算術運算的DSP模塊,因此為了加速算法的處置賞罰速率,在算法完成歷程當中,加入了年夜量的DSP加速處置賞罰模塊,如乘加器,浮點除法器等。表1給出了用硬件語言完成上述算法所應用的芯片資源情形。表2給出了該算法對DSP加速模塊的應用情形。




4.2 靜態圖象邊緣檢測SoC系統性能測試
測試接納的硬件開發平臺為FPGA CycloneIIEP2C70F896C6N,Quartus II版本為10.0(32位),LEON3開發包版本為grlib-gp1-1.0.22-b4095.zip。D5M攝像頭使命在25MHz頻率,所網絡的圖象分辨率為400×240,R、G、B每種色彩以10-bit二進制數據體現,D5M攝像頭每秒網絡22~25幀圖象。LTM顯示屏的顯示分辨率為400×240,使命在33MHz頻率。
表3為測試取得的片上資源應用情形。從其效果可以剖析取得,文中設計的靜態圖象邊緣檢測SoC占领的片上資源在可以吸收的規模內。



且由現實測試可知,在外界情形適中的條件下,系統可以取得很好的圖象邊緣檢測效果。但由于圖象的分辨率較年夜,而邊緣檢測算法中所接納的窗口為3×3,相關于圖象來講較小,以是圖象上的一些小的暗影區域也會被檢測出來,組成暗影區域攪擾,影響圖象的邊緣檢測效果。但整體來講,完成了靜態圖象邊緣提取的終究目的。
結語
本文簡介了基于LEON3開源軟核處置賞罰器的靜態圖象邊緣檢測SoC設計。
實驗效果注解該SoC系統使命正常,可以完成每秒22~25幀,最好分辨率為400×240和640×480的靜態圖象邊緣檢測功效,勻稱數據延時在70~80個系統時鐘。系統具有很好的可移植性與可裝備性,占用資源少,速率快,具有普遍的應用遠景。



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