Linux_GUI加速模块设计方案

作者：Nick

该系列前两篇主要扯了扯Linux中GUI相关的DRI框架及相关组件实现方式。细想一下，对于GUI相关的加速能做的其实不多，开发一个2D或3D的显卡加速子模块对于一个DEMO教程的量级来说工作量太大，我们在这只实现一下简单的功能：

通过Zynq的PL部分实现对Qt视频播放器中待输出的Framebuffer的二值处理；

1、 简单的处理介绍

上述处理十分简单，对于一幅分辨率为M*N的灰度图像来说，二值化的处理如下：

，其中

表示图像上任意一点灰度值，

为二值化阈值，对于RGB图像来说（以RGB888为例），RGB转化为灰度图的表达式如下：

，对于此例不怎么严格的要求，采用16位的定点化精度足以，对应着表达式如下：

2、 FPGA加速方案

图像（预）处理的本质其实是二维数据的处理，常见的图像预处理分为以下几类：

1、 线性滤波，如噪声平滑，边缘增强；

2、 非线性滤波，如零交点检测等；

3、 形态学滤波，如膨胀腐蚀等；

4、 其它相对较复杂的图像处理；

上述几种图像处理在信号处理实现上来说都是局部滤波器的实现，以线性滤波为例，滤波器函数可表示为滑窗内像素的权值与像素值的乘加之和，此处权重指的是滑窗内各个算子的大小，表达如下：

其中其中

其中

为滑窗对应的算子，i，j的取值范围有滑窗大小决定。FPGA特别适合这类流水式的运算。，内部的DSP硬核或者由slice搭建生成的乘加器，是线性滤波的核心运算单元。以一个3X3的窗口为例，对应的滤波操作如下图所示：

对于上述的几点解释如下：

1、 粉色框对应着图像的缓存部分，对于线性滤波计算，滑窗的尺寸（算子的size）越大，所需要缓存的容量越大，缓存一般使用片内的block ram或distribute ram。当然，我们也可以使用片外存储，如DDR，但片数据片内外的搬运会造成较大的延时，因此，在设计之初我们就得在延时及滑窗size之间做好tradeoff。

2、 蓝色部分为最终输出的图像滤波结果。由于缓存的存在，整体的图像刷新输出会比输入延迟a*(W-1)+a-1个像素clk，其中a为滑窗的size，W为前篇中介绍的drm_framebuffer结构体中width值。

二值化的处理其实可以看做简化的滑窗滤波操作，此时的a=1，算子值为1，滑窗结果通过一个比较器输出二值化结果。影响二值化的参数为阈值大小，此处我们将这些需要配置的参数通过AXI_lite总线暴露给PS（ARM）端，让软件（运行在PS端的Qt上位机）动态配置。整个系统的结构如下：

3、 FPGA加速效果及性能分析

FPGA的处理速度取决于：

• 芯片速度等级（支持的最高频率）；
• 加速模块的设计方案（并行化设计、利用资源换时间）；

在本例中，处理速度取决于pixel的驱动时钟（本处50MHz），即大致60（FPS）*1080*720。

皮一下很开心，用海贼王的一小段打斗场面做了测试，效果请点击视频观看： https://v.vzuu.com/video/1095730086900211712?autoplay=false&useMSE=
编辑：hfy