隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機載視頻圖形顯示系統(tǒng)對于實時性等性能的要求日益提高。常見的系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三種：

　　(1)基于GSP+VRAM+ASIC的架構(gòu)，優(yōu)點是圖形ASIC能夠有效提高圖形顯示質(zhì)量和速度，缺點是國內(nèi)復(fù)雜ASIC設(shè)計成本極高以及工藝還不成熟。

　　(2)基于DSP+FPGA的架構(gòu)，優(yōu)點是，充分發(fā)揮DSP對算法分析處理和FPGA對數(shù)據(jù)流并行執(zhí)行的獨特優(yōu)勢，提高圖形處理的性能;缺點是，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)計復(fù)雜。

　　(3)基于FPGA的SOPC架構(gòu)，優(yōu)點是，集成度非常高;缺點是邏輯與CPU整合到一起，不利于開發(fā)。

　　經(jīng)過對比，機載視頻圖形顯示系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計具有優(yōu)化空間，值得進一步的深入研究，從而設(shè)計出實時性更高的方案。

　　本文設(shè)計一種基于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，同時疊加外景視頻圖像。在保證顯示質(zhì)量的同時，對其進行優(yōu)化，進一步提高實時性、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

　　本系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA為核心，構(gòu)建出一個實時性高的機載視頻圖形顯示系統(tǒng)。上層CPU接收來自飛控、導(dǎo)航等系統(tǒng)的圖形和視頻控制命令，對數(shù)據(jù)進行格式化和預(yù)處理后，通過PCIe接口傳送給FPGA。本文主要是進行FPGA內(nèi)部邏輯模塊的設(shè)計和優(yōu)化。

　　圖1 機載顯示系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

　　2 機載顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　機載顯示系統(tǒng)設(shè)計主要包括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)過預(yù)畸變校正后輸出到平顯上，另一路直接輸出來進行地面記錄。

　　為了滿足上述功能，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計的整體流程圖如圖2所示。

　　圖2 FPGA邏輯設(shè)計的整體流程圖

　　2.1 實時性分析

　　視頻處理既要實現(xiàn)單純的外視頻處理，同時能夠?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，再進行疊加后旋轉(zhuǎn)處理，延遲非常大。因此為了提高實時性，考慮將圖形整體和外視頻分別進行旋轉(zhuǎn)處理后，再相互疊加。整個流程中，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。常見的幀速率提升算法主要包括幀復(fù)制法、幀平均法和運動補償法。綜合考慮顯示效果和實時性要求，最終選擇幀復(fù)制法。幀復(fù)制法易于實現(xiàn)、計算量低。其表達式為：

　　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中開辟5幀存儲空間用于存放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)計的機載顯示系統(tǒng)利用一片DDR3作為外部存儲器，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)存儲沖突，需要將數(shù)據(jù)先緩存到內(nèi)部BRAM中。XC7k410T共有795個36Kb的BRAM。整個流程中，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)中都能對應(yīng)到浮點坐標(biāo)，并可以用該坐標(biāo)鄰域的像素點來唯一確定該坐標(biāo)的像素值，不會出現(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)部的存儲資源無法滿足數(shù)據(jù)存儲要求，需要配置系統(tǒng)外部存儲器DDR3。從圖2可以看出，整個系統(tǒng)流程最多經(jīng)過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。

　?、?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，沒有嚴(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行整體的其他處理。由于像素點操作會涉及到讀取背景值，所以是雙向的?？紤]吞吐量最大的情況，即圖形生成模塊對每幀圖形的一半像素點都進行一次讀寫操作，則圖形生成模塊讀寫數(shù)據(jù)量為

　?、?圖形縮放模塊讀數(shù)據(jù)及清屏操作，由于縮放模塊是對整個畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來。而由于圖形及字符不是對每個像素點都進行操作的，所以取出后，需要進行清屏操作。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。

　?、?圖形輸出讀數(shù)據(jù)，同時進行平移、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)，為了實現(xiàn)去隔行和幀速率轉(zhuǎn)換，必須將數(shù)據(jù)存儲到DDR3中進行變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為

　?、?視頻縮放模塊讀數(shù)據(jù)，從DDR3中取出進行縮放操作，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。

　?、?視頻輸出讀數(shù)據(jù)，同時進行平移、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 。

　?、?預(yù)畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來存儲每個像素點對應(yīng)的四個預(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)吞吐量的計算表，其吞吐量合計為2677.6 MB/s 。

　　表1系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計算表

　　本文采用DDR3作為系統(tǒng)外部存儲器，其型號為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)，采用的時鐘為400MHz，由于DDR3在上升沿和下降沿都進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，等效于其內(nèi)部讀寫時鐘為800MHz，即數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s(800MHz*64bit)，滿足本文設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。

　　3 機載顯示系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

　　設(shè)計的機載顯示系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足性能要求，但是還需要進一步優(yōu)化。如圖 5所示，改變不同模塊之間的順序來優(yōu)化設(shè)計，同時改進算法。具體改變?nèi)缦拢?/p>

　　① 圖形整體相對于屏幕的縮放和旋轉(zhuǎn)功能在CPU端發(fā)送命令前實現(xiàn)，因為CPU端旋轉(zhuǎn)和縮放是針對頂點進行的，方便快速，同時減少了FPGA的BRAM資源占用，減少了進出DDR3的次數(shù);

　?、?改進幀速率提升算法，進一步減少延遲，提高實時性;

　?、?改進視頻旋轉(zhuǎn)算法，進一步降低緩存區(qū)的大小，減少BRAM的占用率;

　?、?幀速率提升和平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像都需要通過讀寫DDR3來完成，將兩者合并，同時完成，減少進出DDR3的次數(shù)。

　　圖5 FPGA邏輯優(yōu)化的整體流程圖

　　3.1 實時性分析

　　實時性是機載顯示系統(tǒng)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，為了確保飛機運行安全，必須確保視頻處理的各個模塊都有較高的實時性。視頻采集、視頻縮放、視頻校正、視頻輸出延遲都是幾行，延遲時間在 以內(nèi)。幀速率提升模塊的延遲遠(yuǎn)大于其他各個模塊延遲之和，需要進一步改進，在保證顯示質(zhì)量的同時，進一步降低延遲時間。

　　3.1.1 幀速率提升算法優(yōu)化

　　改進的幀速率提升算法仍使用幀復(fù)制法。在DDR3中開辟4個存儲空間做切換用于存放幀速率為25Hz、場速率為50Hz的PAL圖像。有4個場緩存區(qū)，當(dāng)接收當(dāng)前幀的奇場后與前一幀的偶場結(jié)合成一幀數(shù)據(jù)輸出。

　　幀速率改進算法示意圖如圖 6所示。A場正好寫完，B場正好讀完，下一幀讀取A場數(shù)據(jù)，這樣延遲為PAL的1場(半幀);A場正好還差1行寫完，B場已讀完，下一幀繼續(xù)讀B場，這樣延遲為PAL的1+(25/60)=1.42場。延遲為PAL的1~1.42場。最大延遲為。

　　圖6 幀速率改進算法示意圖

　　3.2 BRAM資源占用

　　原設(shè)計的機載顯示系統(tǒng)架構(gòu)使用反向映射的方法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)算法，每一行旋轉(zhuǎn)后數(shù)據(jù)反向旋轉(zhuǎn)時需要緩存334行視頻旋轉(zhuǎn)前數(shù)據(jù)，即需要279個36Kb的BRAM。相對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。

　　3.2.1 視頻旋轉(zhuǎn)算法優(yōu)化

　　視頻旋轉(zhuǎn)提出了一種改進的旋轉(zhuǎn)映射法，降低緩存空間。示意圖如圖 7所示。對以行掃描的方式獲取的視頻圖像，緩存兩行就能開始旋轉(zhuǎn)處理，先進行正向映射，根據(jù)當(dāng)前兩行對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)后浮點坐標(biāo)，找到兩行內(nèi)的整點坐標(biāo)，再對其進行反向映射，利用當(dāng)前兩行來得到旋轉(zhuǎn)后整點坐標(biāo)的像素值。

　　圖7 視頻旋轉(zhuǎn)改進算法示意圖

　　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)計了一組由三個雙端口塊存儲器BRAM組成的原始圖像數(shù)據(jù)緩存器。每個BRAM用來存儲1行原始圖像的數(shù)據(jù)，3個BRAM中存儲的原始圖像數(shù)據(jù)包括當(dāng)前旋轉(zhuǎn)計算涉及的兩行原始圖像數(shù)據(jù)以及下一行旋轉(zhuǎn)計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

　?、?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整個畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來，而由于圖形及字符不是對每個像素點都進行操作的，所以取出后，需要進行清屏操作。則讀寫數(shù)據(jù)量為474.6 MB/s 。

　?、?視頻旋轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格按照屏幕自上而下的順序，必須將數(shù)據(jù)存儲到DDR3中進行變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為

　　④ 視頻輸出模塊讀數(shù)據(jù)，從DDR3中取出進行視頻輸出操作，取出的同時還能進行一些坐標(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位來存儲每個像素點對應(yīng)的四個預(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)吞吐量的計算表，其吞吐量合計為2135.7MB/s。DDR3的數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s(800MHz*64bit)，滿足本文設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。

　　表2 優(yōu)化后系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計算表

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計一種基于FPGA的機載顯示系統(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，同時疊加外景視頻圖像。實時性方面，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)化后的機載顯示系統(tǒng)，實時性方面，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36Kb的BRAM;DDR3吞吐量方面，吞吐量為2135.7 MB/s。

　　經(jīng)過對比分析，優(yōu)化后的機載顯示系統(tǒng)實時性提高、BRAM資源占用減少、吞吐量降低，整體性能得到了提升。