图像处理算法的FPGA设计步骤及方法.ppt

图像处理算法的FPGA设计步骤及方法,以Adaboost算法为例,设计步骤,算法研究,算法模型向电路结构抽象转换,电路结构设计,功能模块划分,关键电路时序及模块间接口时序设计,具体电路设计,设计验证,算法改进,一、算法研究,算法研究,数值算法非数值算法,方法模型拓扑结构数学模型,Matlab仿真,一、算法研究,Adaboost算法流程,一、算法研究,Harr特征,本案例使用的检测算法是基于 Haar 特征的AdaBoost 算法。它是一种基于表象的方法。这里的表象具体指的就是Haar 特征。它是一组矩形构成的模式（Pattern），如图所示就是几种Haar 特征的例子。,二、算法改进,必要性：许多算法其本身具有适用行计算机的串行运算特点,目的：改进算法使其适用于具有并行特性的硬件设计,原则：速度与面积的平衡理论指导：并行算法理论,二、算法改进,1、级联分类器改进为部分并联分类器,Adaboost算法的级联分类器构成的强分类器，其逐级剔除逐级增强的结构是为了适应计算机串行指令执行的特点而设计的。但对于硬件设计而言，级联的分类器结构对速度要求很高；并且硬件电路规模要适应所有可能情况，即要设计整个的级联分类结构的电路，而大多情况下后级的电路并未启用。因此，级联分类器的结构对于硬件设计而言，并不是一个较优的结构。,二、算法改进,1、级联分类器改进为部分并联分类器,从算法原理可以发现，每个分类器其实是相对独立的，我们可以将这些分类器的分布进行重组。根据速度与面积的折中，我们将级联的分类器改进为部分并联的分类器。,分类器,分类器,分类器,否,全部通过,根据时序要求将全部的分类器划分为若干组并行执行的分类，并且复用这些分类器电路，即每组电路使用同一套硬件电路。每次检测，通过该组全部分类器即进行下一组检测，全部通过即判断为目标；若有其中一组不能通过即跳出，判断为非目标,二、算法改进,2、整帧图像积分改进为子窗口积分,Adaboost算法在做一帧图像的检测时，先该帧图像进行积分。但这种做法对于硬件而言要消耗大量的硬件资源，并且电路在接下来的扫描检测进程中处于闲置状态。根据算法的原理，我们只对扫描的子窗口进行积分也是等效的，只是在每扫描一个步进就要积分一次。但应用流水线结构的设计技巧，这个问题可以很好的解决，并且能提高电路的利用率。,三、算法模型向电路结构抽象转换,算法抽象转换,算法级 行为级 寄存器传输级,逐级转换,四、电路结构设计,结构设计,总线结构流水线结构总线流水线结构网格结构超立方结构蝶网结构存储器分布结构,四、电路结构设计,五、功能模块划分,划分标准：根据算法的特征、结构划分模块。(主导)尽量不将组合逻辑划分成一个独立的模块。消除不必要的层级，避免粘连逻辑。尽量平衡各逻辑块的尺寸和模块内部的数据传输路径长度。设计至少应该有三个层次：顶层、中间层、内核层。将异步电路单独设计，并且一个时钟对应一个模块，模块 与模块之间的握手连接在异步电路的顶层处理。,六、关键电路时序及模块间接口时序设计,设计电路，尤其是数字电路，最关键的一环是：设计各模块间的接口时序，确定关键电路的时序。这个工作必须在具体电路设计之前确定下来。,模块间接口时序设计,由于系统采用完全流水线结构设计,其接口时序相对比较简单。,CLK,Step1,Step2,Step3,Step4,DATA1,DATA1,DATA1,DATA1,DATA2,DATA2,DATA2,DATA3,DATA3,DATA4,模块间按一个时钟周期的时序传递数据。,关键电路时序设计,对于系统中两个与DDR RAM数据通信的模块，其读写时序与系统的流水线时序不同。,CLK,WR_EN,WR_ADDR,WR_DATA,addr1,addr2,addr3,data1,data2,data3,关键电路时序设计,CLK,RD_EN,RD_ADDR,RD_DATA,addr1,addr2,addr3,data1,data2,data3,七、具体电路设计,设计原则：先时序后电路,设计模块原理结构 设计模块工作原理时序图 在时序指导下设计具体电路,详细设计文档,七、具体电路设计,“先时序先电路”设计方法的优点：1、思路清晰，考虑周到，不容易出错。2、电路即使出错误，也很容易查出问题原因所在。3、在复杂电路中，原理时序图越容易让人理解，便于交流和相互查错。4、体现“时序是设计出来的”思想。,七、具体电路设计,七、具体电路设计,八、设计验证,设计验证,软件验证,硬件验证,RTL级功能仿真静态时序分析时序仿真,单板测试系统测试,