本文對基于FPGA的機載視頻圖形顯示系統(tǒng)架構進行設計和優(yōu)化。從實時性、BRAM資源占用和DDR3吞吐量三方面進行分析，改進幀速率提升算法來提高實時性；改進視頻旋轉算法來降低BRAM資源占用；改變不同模塊的順序來減少DDR3的吞吐量。結果表明，設計的系統(tǒng)架構滿足性能需求；通過對優(yōu)化前后的系統(tǒng)進行比較，實時性能更好，BRAM資源占用降低，DDR3吞吐量降低，整體性能得到了提升。

隨著航空電子技術的不斷發(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)架構主要分為三種：

（1）基于GSP+VRAM+ASIC的架構[1]，優(yōu)點是圖形ASIC能夠有效提高圖形顯示質量和速度，缺點是國內復雜ASIC設計成本極高以及工藝還不成熟。

（2）基于DSP+FPGA的架構[2]，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拆分后再調用FPGA，系統(tǒng)的集成度不高，接口設計復雜。

（3）基于FPGA的SOPC架構[3]，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)的架構設計具有優(yōu)化空間，值得進一步的深入研究，從而設計出實時性更高的方案。

本文設計一種基于FPGA的圖形生成與視頻處理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)2D圖形和字符的繪制，構成各種飛行參數(shù)畫面，同時疊加外景視頻圖像。在保證顯示質量的同時，對其進行優(yōu)化，進一步提高實時性、減少內部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。

1 總體架構設計

本系統(tǒng)總體設計方案如圖 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA為核心，構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)進行格式化和預處理后，通過PCIe接口傳送給FPGA。本文主要是進行FPGA內部邏輯模塊的設計和優(yōu)化。

圖 1機載顯示系統(tǒng)總體設計框圖

2 機載顯示系統(tǒng)架構設計

機載顯示系統(tǒng)設計主要包括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、翻轉等處理。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邏輯設計的整體流程圖如圖 2所示。

圖 2 FPGA邏輯設計的整體流程圖

2.1 實時性分析

視頻處理既要實現(xiàn)單純的外視頻處理，同時能夠實現(xiàn)疊加后視頻處理。以旋轉處理為例，若在單純外視頻旋轉處理后，與圖形疊加，再進行疊加后旋轉處理，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[4]主要包括幀復制法、幀平均法和運動補償法。綜合考慮顯示效果和實時性要求，最終選擇幀復制法。幀復制法易于實現(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和視頻旋轉模塊。

2.2.1 視頻旋轉算法

反向旋轉映射優(yōu)點是，旋轉后坐標反向旋轉，除了超出原始坐標范圍的，在旋轉前坐標中都能對應到浮點坐標，并可以用該坐標鄰域的像素點來唯一確定該坐標的像素值，不會出現(xiàn)“空洞”現(xiàn)象。

圖4視頻旋轉算法示意圖

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[6]。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。

① 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

② 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。

④ 圖形輸出讀數(shù)據(jù)，同時進行平移、翻轉、鏡像等坐標變換操作，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

⑥ 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。

⑧ 視頻輸出讀數(shù)據(jù)，同時進行平移、翻轉、鏡像等坐標變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s 。

⑨ 預畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來存儲每個像素點對應的四個預畸變參數(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，等效于其內部讀寫時鐘為800MHz，即數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s（800MHz*64bit），滿足本文設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。

3 機載顯示系統(tǒng)架構優(yōu)化

設計的機載顯示系統(tǒng)架構能夠滿足性能要求，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)化設計，同時改進算法。具體改變如下：

① 圖形整體相對于屏幕的縮放和旋轉功能在CPU端發(fā)送命令前實現(xiàn)，因為CPU端旋轉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)；

② 改進幀速率提升算法，進一步減少延遲，提高實時性；

③ 改進視頻旋轉算法，進一步降低緩存區(qū)的大小，減少BRAM的占用率；

④ 幀速率提升和平移、翻轉、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)重要的衡量標準之一，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。幀速率提升模塊的延遲遠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)，當接收當前幀的奇場后與前一幀的偶場結合成一幀數(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

原設計的機載顯示系統(tǒng)架構使用反向映射的方法實現(xiàn)旋轉算法，每一行旋轉后數(shù)據(jù)反向旋轉時需要緩存334行視頻旋轉前數(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 視頻旋轉算法優(yōu)化
視頻旋轉提出了一種改進的旋轉映射法，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處理，先進行正向映射，根據(jù)當前兩行對應的旋轉后浮點坐標，找到兩行內的整點坐標，再對其進行反向映射，利用當前兩行來得到旋轉后整點坐標的像素值。

圖 7 視頻旋轉改進算法示意圖

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)包括當前旋轉計算涉及的兩行原始圖像數(shù)據(jù)以及下一行旋轉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

② 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 。

③ 視頻旋轉寫數(shù)據(jù)，旋轉后的數(shù)據(jù)沒有嚴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變換操作，如平移、翻轉、鏡像等，讀寫數(shù)據(jù)量為

⑤ 預畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來存儲每個像素點對應的四個預畸變參數(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

結論

本文設計一種基于FPGA的機載顯示系統(tǒng)架構，能夠實現(xiàn)2D圖形繪制，構成各種飛行參數(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。