1、基于流水線的數字視頻色度空間轉換新方法電子技術應用閆 瑋，謝劍斌，程江華，李沛秦 時間:2008年03月31日 字 體: 大 中 小關鍵詞:流水線技術時鐘頻率數字視頻處理設計方法最大摘要： 闡述了流水線的基本原理，提出了基于流水線的YCbCr信號到RGB信號的色度空間轉換新方法，有效地提高了嵌入式系統中數字視頻處理速度。關鍵詞： 流水線 FPGA VHDL 數字視頻 色度空間近年來，由于人們對數字視頻處理技術的要求不斷提高，越來越多的數字視頻處理系統開始采用FPGA+DSP的體系架構。在這一架構中，FPGA的作用是對視頻數據進行較低階的預處理，如縮放、銳化、平滑、色度空間轉換等，DSP的作用是

2、在預處理的基礎上對視頻數據進行高階處理，如編碼、識別等。由于數字視頻處理系統對實時性的要求較高，因此FPGA子系統的處理速度越快、處理效率越高，則預處理所需的時間就越短，DSP子系統就有充足的時間對視頻數據進行更復雜的處理，系統的整體性能就越強。在設計實際的FPGA子系統時，提出了流水線(Pipeline)方法，有效地提升了系統的處理速度和執行效率。1 流水線方法流水線處理由通常的流水作業法而來，它是指將待處理的任務分解為相互有關而又相對獨立的、可以順序執行的子任務。也就是說整個處理過程被劃分為一組串行連接的子過程，以完成相應的子任務。在數字視頻處理系統中，FPGA所承擔的運算大部分是加法，以

3、3變量相加的任務為例，傳統的設計方法是直接構建一個3輸入的加法器，一次性計算出結果，而流水線設計方法則是先構建兩個2輸入的加法器，再將這兩個加法器級聯形成一個2級流水線系統，經過兩次計算得到最終結果，兩者的設計思想如圖1所示。流水線有兩大優點：第一，采用流水線技術的系統可以工作在更高的時鐘頻率下。在實際的FPGA系統中，系統所能承受的最高時鐘頻率受限于系統中的組合邏輯模塊的最大延時。圖1中(a)系統的工作時鐘不能超過1/Ta(Ta為加法器A的延時)，(b)系統的工作時鐘不能超過1/Tb。由于加法器B的結構比加法器A簡單，所以必然有TbTA，因此(B)系統可工作于更高的時鐘頻率下。對于一個實際系

4、統而言，只有在系統的各個子模塊均能工作在高速時鐘的情況下，系統才能工作在更高的時鐘頻率下。流水線方法的核心思想就是將原來的復雜、低速的大模塊拆分為多個簡單、高速的小模塊，消除系統的時鐘瓶頸。第二，采用流水線技術的系統的執行效率高于傳統系統。在實際運行中，每個子過程在完成自己當前處理任務后，可以立即開始處理下一個任務。在圖1中(B)系統的第級流水線在完成兩個數相加后，可以直接計算下一組數據的相加，不必等到第級流水線計算完畢。相比(A)系統而言，兩組數據的計算間隔時間縮短了一半以上，從而大幅提高了系統的執行效率。2 基于流水線方法的色度空間轉換2.1 算法原理在數字視頻處理系統中，色度空間的轉換被

5、大量應用，如RGB空間與YCbCr空間的相互轉換，RGB空間與HSI空間的相互轉換等，這類轉換所需的運算量不大，但所要處理的視頻流的數據量很大，且對實時性要求較高，非常適合用流水線技術來實現。其中8bit YCbCr信號到RGB信號的轉換關系如式(1)所示。在FPGA中直接構建加（減）法器很容易，但要構建小數乘法器則較為復雜，通常的做法是變小數運算為整數運算，變乘除運算為移位運算。基于這一思想，式(1)中YCbCr分量到G分量的轉換公式中的小數系數可用式(2)來代替。所以YCbCr分量到G分量的轉換關系就可以近似的寫為式(3)：在數字電路中，乘以2相當于變量左移一位，除以2相當于變量右移一位，

6、因此YCbCr分量到G分量轉換電路的原始硬件結構框圖如圖2所示。圖2所示電路中最復雜的模塊為5變量加法器，設其最大處理延時為T1，則電路的最高輸入時鐘頻率不超過1/T1。2.2 流水線設計流水線技術的核心思想就是將低速的復雜模塊拆分為多個高速的簡單模塊。圖2中的多變量加法器屬于復雜模塊，應將其拆分為多個兩變量加法器的級聯，如圖3所示。在圖3中，YCbCr分量到G分量轉換任務由9個兩變量加法器組成的4級流水線來完成，輸入數據在時鐘的驅動下依次經過4級流水線的處理，即可得到所需的處理結果。圖3中每一級流水線所用到的加法器均為19位兩變量加法器，設其最大處理延時為T2，則電路的最高輸入時鐘頻率不超過

7、1/T2。在實際運算過程中，前級流水線經過T2延時后得出當前輸入的計算結果并將其送入次級流水線后，可以直接對下一組輸入數據進行計算，整個系統的工作流程可用表1來表示。由表1可見，在經過最初的4T2延時后，每經過一個T2時間，就會有一組處理后的結果輸出，這一指標將大大優于采用非流水線結構的電路。2.3 仿真測試利用Altera公司的Quartus II平臺對圖2和圖3的設計方案進行仿真測試，得到的結果如表2所示。由表2不難發現，應用流水線技術后，系統所能承受的最大輸入時鐘頻率提高了1倍，系統的運行速度和執行效率均獲得大幅提升。在基于流水線技術的數字視頻系統中，由于各級流水線的結構不盡相同，必須考

8、慮各級流水線的同步問題。圖3中的兩個帶斜線的方塊的作用就是為了數據同步，在實際設計時可用寄存器來完成。另外，YCbCr分量到R分量、YCbCr分量到G分量、YCbCr分量到B分量的計算復雜度不盡相同，所需的流水線的級數也不一樣。在整個系統的搭建中，較短流水線的最終輸出應加以延時以做到和較長流水線的最終輸出同步。由于流水線設計是在以空間換時間，因此設計基于流水線結構的電路所需的門電路要比傳統設計方法多，在器件選型時應注意留出余量。基于流水線的設計方法相對于傳統設計方法而言，可以在不顯著增加硬件開銷的前提下大幅提升系統的運行速度和處理效率，對于設計高速數字視頻處理系統具有很大的實用價值。參考文獻1 Wang Y，Ostermann J，Ya-Qin Z著，侯正信，楊 喜，王文全譯.視頻處理與通信.北京：電子工業出版社，20032 Sjoho l S著，邊計年，薛宏熙譯.VHDL設計電子線路.北京：清華大學