近年來，由于人們對數(shù)字視頻處理技術(shù)的要求不斷提高，越來越多的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)開始采用FPGA+DSP的體系架構(gòu)。在這一架構(gòu)中，F(xiàn)PGA的作用是對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行較低階的預(yù)處理，如縮放、銳化、平滑、色度空間轉(zhuǎn)換等，DSP的作用是在預(yù)處理的基礎(chǔ)上對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行高階處理，如編碼、識(shí)別等。由于數(shù)字視頻處理系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求較高，因此FPGA子系統(tǒng)的處理速度越快、處理效率越高，則預(yù)處理所需的時(shí)間就越短，DSP子系統(tǒng)就有充足的時(shí)間對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的處理，系統(tǒng)的整體性能就越強(qiáng)。在設(shè)計(jì)實(shí)際的FPGA子系統(tǒng)時(shí)，提出了流水線(Pipeline)方法，有效地提升了系統(tǒng)的處理速度和執(zhí)行效率。
1 流水線方法
　　流水線處理由通常的流水作業(yè)法而來，它是指將待處理的任務(wù)分解為相互有關(guān)而又相對獨(dú)立的、可以順序執(zhí)行的子任務(wù)。也就是說整個(gè)處理過程被劃分為一組串行連接的子過程，以完成相應(yīng)的子任務(wù)。在數(shù)字視頻處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA所承擔(dān)的運(yùn)算大部分是加法，以3變量相加的任務(wù)為例，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法" title="設(shè)計(jì)方法">設(shè)計(jì)方法是直接構(gòu)建一個(gè)3輸入的加法器，一次性計(jì)算出結(jié)果，而流水線設(shè)計(jì)方法則是先構(gòu)建兩個(gè)2輸入的加法器，再將這兩個(gè)加法器級聯(lián)形成一個(gè)2級流水線系統(tǒng)，經(jīng)過兩次計(jì)算得到最終結(jié)果，兩者的設(shè)計(jì)思想如圖1所示。

　　流水線有兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，采用流水線技術(shù)" title="流水線技術(shù)">流水線技術(shù)的系統(tǒng)可以工作在更高的時(shí)鐘頻率" title="時(shí)鐘頻率">時(shí)鐘頻率下。在實(shí)際的FPGA系統(tǒng)中，系統(tǒng)所能承受的最高時(shí)鐘頻率受限于系統(tǒng)中的組合邏輯模塊的最大" title="最大">最大延時(shí)。圖1中(a)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘不能超過1/Ta(Ta為加法器A的延時(shí))，(b)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘不能超過1/Tb。由于加法器B的結(jié)構(gòu)比加法器A簡單，所以必然有Tb2 基于流水線方法的色度空間轉(zhuǎn)換
2.1 算法原理
　　在數(shù)字視頻處理系統(tǒng)中，色度空間的轉(zhuǎn)換被大量應(yīng)用，如RGB空間與YC_bC_r空間的相互轉(zhuǎn)換，RGB空間與HSI空間的相互轉(zhuǎn)換等，這類轉(zhuǎn)換所需的運(yùn)算量不大，但所要處理的視頻流的數(shù)據(jù)量很大，且對實(shí)時(shí)性要求較高，非常適合用流水線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中8bit YC_bC_r信號(hào)到RGB信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示。
　　
　　在FPGA中直接構(gòu)建加（減）法器很容易，但要構(gòu)建小數(shù)乘法器則較為復(fù)雜，通常的做法是變小數(shù)運(yùn)算為整數(shù)運(yùn)算，變乘除運(yùn)算為移位運(yùn)算。基于這一思想，式(1)中YC_bC_r分量到G分量的轉(zhuǎn)換公式中的小數(shù)系數(shù)可用式(2)來代替。
　　
　　所以YC_bC_r分量到G分量的轉(zhuǎn)換關(guān)系就可以近似的寫為式(3)：
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　　在數(shù)字電路中，乘以2相當(dāng)于變量左移一位，除以2相當(dāng)于變量右移一位，因此YC_bC_r分量到G分量轉(zhuǎn)換電路的原始硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2所示電路中最復(fù)雜的模塊為5變量加法器，設(shè)其最大處理延時(shí)為T₁，則電路的最高輸入時(shí)鐘頻率不超過1/T₁。

2.2 流水線設(shè)計(jì)
　　流水線技術(shù)的核心思想就是將低速的復(fù)雜模塊拆分為多個(gè)高速的簡單模塊。圖2中的多變量加法器屬于復(fù)雜模塊，應(yīng)將其拆分為多個(gè)兩變量加法器的級聯(lián)，如圖3所示。在圖3中，YC_bC_r分量到G分量轉(zhuǎn)換任務(wù)由9個(gè)兩變量加法器組成的4級流水線來完成，輸入數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下依次經(jīng)過4級流水線的處理，即可得到所需的處理結(jié)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(shè)其最大處理延時(shí)為T2，則電路的最高輸入時(shí)鐘頻率不超過1/T2。在實(shí)際運(yùn)算過程中，前級流水線經(jīng)過T2延時(shí)后得出當(dāng)前輸入的計(jì)算結(jié)果并將其送入次級流水線后，可以直接對下一組輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程可用表1來表示。
　　由表1可見，在經(jīng)過最初的4T2延時(shí)后，每經(jīng)過一個(gè)T2時(shí)間，就會(huì)有一組處理后的結(jié)果輸出，這一指標(biāo)將大大優(yōu)于采用非流水線結(jié)構(gòu)的電路。

2.3 仿真測試
　　利用Altera公司的Quartus II平臺(tái)對圖2和圖3的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真測試，得到的結(jié)果如表2所示。由表2不難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用流水線技術(shù)后，系統(tǒng)所能承受的最大輸入時(shí)鐘頻率提高了1倍，系統(tǒng)的運(yùn)行速度和執(zhí)行效率均獲得大幅提升。