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1、基于FPGA的图形生成与视频处理系统的设计与实现本文对基于FPGA的机载视频图形显示系统架构进行设计和优化。从实时性、BRAM资源占用和DDR3吞吐量三方面进行分析，改进帧速率提升算法来提高实时性；改进视频旋转算法来降低BRAM资源占用；改变不同模块的顺序来减少DDR3的吞吐量。结果表明，设计的系统架构满足性能需求；通过对优化前后的系统进行比较，实时性能更好，BRAM资源占用降低，DDR3吞吐量降低，整体性能得到了提升。随着航空电子技术的不断发展，现代机载视频图形显示系统对于实时性等性能的要求日益提高。常见的系统架构主要分为三种：（1）基于GSP+VRAM+ASIC的架构1，优点是图形ASIC
2、能够有效提高图形显示质量和速度，缺点是国内复杂ASIC设计成本极高以及工艺还不成熟。（2）基于DSP+FPGA的架构2，优点是，充分发挥DSP对算法分析处理和FPGA对数据流并行执行的独特优势，提高图形处理的性能；缺点是，上层CPU端将OpenGL绘图函数封装后发给DSP，DSP拆分后再调用FPGA，系统的集成度不高，接口设计复杂。（3）基于FPGA的SOPC架构3，优点是，集成度非常高；缺点是逻辑与CPU整合到一起，不利于开发。经过对比，机载视频图形显示系统的架构设计具有优化空间，值得进一步的深入研究，从而设计出实时性更高的方案。本文设计一种基于FPGA的图形生成与视频处理系统，能够实现2D
3、图形和字符的绘制，构成各种飞行参数画面，同时叠加外景视频图像。在保证显示质量的同时，对其进行优化，进一步提高实时性、减少内部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。1 总体架构设计本系统总体设计方案如图 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA为核心，构建出一个实时性高的机载视频图形显示系统。上层CPU接收来自飞控、导航等系统的图形和视频控制命令，对数据进行格式化和预处理后，通过PCIe接口传送给FPGA。本文主要是进行FPGA内部逻辑模块的设计和优化。机载显示系统设计主要包括2D绘图、视频处理和叠加输出。2D绘图功能包括直线、圆、字符等的快速生成。视频处理功能包括输入视频选择、视频缩
4、放、旋转、翻转等处理。叠加输出功能，将视频作为背景与图形叠加，送到两路DVI输出，一路经过预畸变校正后输出到平显上，另一路直接输出来进行地面记录。为了满足上述功能，FPGA逻辑设计的整体流程图如图 2所示。2.1 实时性分析视频处理既要实现单纯的外视频处理，同时能够实现叠加后视频处理。以旋转处理为例，若在单纯外视频旋转处理后，与图形叠加，再进行叠加后旋转处理，延迟非常大。因此为了提高实时性，考虑将图形整体和外视频分别进行旋转处理后，再相互叠加。整个流程中，帧速率提升模块延迟最大。2.1.1 帧速率提升算法帧速率提升指在原有的图像帧之间插值出新的图像帧。常见的帧速率提升算法4主要包括帧复制法、帧
5、平均法和运动补偿法。综合考虑显示效果和实时性要求，最终选择帧复制法。帧复制法易于实现、计算量低。其表达式为：此处输入PAL视频帧速率为25帧/秒，输出DVI视频帧速率为60帧/秒，即在0.2s内将5帧图像插值到12帧。如图 3所示，DDR3中开辟5帧存储空间用于存放25Hz的原始图像，在0.2 内输入5帧原始图像，输出12帧图像。延迟为PAL的1.52.6帧，最大延迟为 。2.2 BRAM资源占用本文设计的机载显示系统利用一片DDR3作为外部存储器，所有图形和视频数据都需要缓存到DDR3中。为了解决数据存储冲突，需要将数据先缓存到内部BRAM中。XC7k410T共有795个36Kb的BRAM。整个流程中，BRAM资源占用最大的是图形整体旋转和视频旋转模块。2.2.1 视频旋转算法反向旋转映射优点是，旋转后坐标反向旋转，除了超出原始坐标范围的，在旋转前坐标中都能对应到浮点坐标，并可以用该坐标邻域的像素点来唯一确定该坐标的像素值，不会出现空洞现象。