基于FPGA+ARM的高速計算機屏幕信息記錄系統

隨著(zhù)計算機應用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越多的重要信息需要由計算機屏幕顯示，因此對計算機屏幕記錄的需求越來(lái)越迫切。同時(shí)， 伴隨著(zhù)顯示器的高速發(fā)展，計算機屏幕分辨率日益增大，需要記錄的圖像分辨率也逐漸增大，因此，對能夠記錄計算機屏幕信息的設備需要日益增長(cháng)。目前的圖像壓縮存儲方案大都無(wú)法支持高分辨率圖像，如ADI公司推出的圖像壓縮芯片ADV212[1]，該芯片支持的最大分辨率為1 024×1 024，無(wú)法滿(mǎn)足SXGA(1 280×1 024)或更高的圖像分辨率。另外，在一些DSP解決方案中，因為DSP接口不靈活以及DSP本身處理能力的限制，很難支持高分辨圖像壓縮。

本設計開(kāi)發(fā)出了一套基于雙FPGA+ARM架構的高速計算機屏幕圖像壓縮系統。系統通過(guò)對圖像壓縮系統任務(wù)的劃分，利用FPGA的并行計算能力和靈活的編程方式，完成圖像壓縮算法。對于壓縮后的碼流，系統采用ARM管理，基于linux的嵌入式ARM系統能夠以文件的形式存儲碼流，另外，ARM對網(wǎng)絡(luò )和音頻常用設備能方便地管理。系統支持主流接口（VGA，DVI），壓縮后的碼流可以存儲在本地硬盤(pán)，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到遠端服務(wù)器。雙FPGA的設計對計算機屏幕圖像壓縮更為方便，原始圖像經(jīng)過(guò)前端預處理FPGA進(jìn)行幀間檢測，以決定該幀圖像進(jìn)入主FPGA的壓縮模式，主FPGA為核心壓縮引擎，負責完成高速圖像壓縮算法。

1 系統架構與實(shí)現

系統整體架構如圖1所示，采用雙FPGA+ARM架構，主要包括圖像前端預處理、圖像壓縮模塊和碼流管理部分。

前面一塊FPGA完成前端預處理，如分辨率檢測、色彩轉換和圖像分析等功能；后面一塊FPGA用來(lái)實(shí)現圖像實(shí)時(shí)壓縮，其中ARM對系統進(jìn)行管理，如壓縮后碼流管理、網(wǎng)絡(luò )管理和音頻錄制等。

1.1 預處理模塊

本系統同時(shí)支持VGA、DVI兩種主流顯卡接口。采用AD9888[2]作為視頻模數轉換器，TI公司的TFP403[3]為DVI接收芯片。Xilinx公司Virtex4[4]（XC4VLX40）完成圖像預處理，主要包括圖像數據的采集、色彩空間轉換和幀間檢測。前端處理模塊如圖2所示。


1.1.1 圖像數據采集

預處理FPGA接收到的圖像數據為接口芯片送來(lái)的圖像數據，包括像素時(shí)鐘信號(PCLK)、場(chǎng)同步信號(VSYNC)、行同步信號（HSYNC）以及數據信號（R[7:0]，G[7:0]，B[7:0]）。圖像數據的采集包括判斷圖像分辨率和提取圖像數據兩個(gè)步驟。

當前的計算機屏幕分辨率很多，工業(yè)VGA標準規定了各種分辨率的像素時(shí)鐘及場(chǎng)、行同步信號時(shí)序，根據相鄰場(chǎng)同步信號（VSYNC）之間行同步信號（HSYNC）數目，以及相鄰行同步信號(HSYNC)之間像素時(shí)鐘(PCLK)數目識別VGA信號分辨率。根據場(chǎng)同步信號（VSYNC）和行同步信號（HSYNC）提出圖像數據。

1.1.2 色彩空間轉換

VGA輸出為RGB信號，而人眼對圖像的亮度分量更為敏感，所以，對圖像數據進(jìn)行色彩空間轉換，將RGB信號轉換為YUV信號，轉換公式：

系統實(shí)現時(shí)采用4:2:2采樣模式，FPGA采用定點(diǎn)化處理后，得到亮度分量Y 和色度分量UV。

1.1.3 幀間檢測

幀間檢測的核心思想是對比相鄰兩幀圖像，判斷每個(gè)像素點(diǎn)是否變化。以3×3的塊為判斷單元，如果有變化則將該像素位置和像素值都存起來(lái)；如果沒(méi)有變化則不傳輸這些信息。當得到了一個(gè)4×4的塊以后把這個(gè)16個(gè)點(diǎn)的信息作為一個(gè)整體傳給后面的模塊，然后統計1幀圖像總的碼流大小。如果該值低于一個(gè)設定的閾值，則認為當前幀沒(méi)有變化，直接傳當前幀變化部分的像素和位置信息到后面的碼流整理模塊；如果統計后碼流的大小大于設定的閾值，則將當前幀送入LX100中進(jìn)行壓縮。

1.2 圖像壓縮模塊

圖像壓縮為系統核心模塊，該壓縮引擎包括小波變換和熵編碼，算法全部由系統主FPGA完成。該FPGA芯片選用Xilinx公司的Virtex4[4]系列FPGA(XC4VLX160)。圖像壓縮引擎結構如圖3。

在系統算法設計中，圖像小波變換采用了基于離散小波變換的空間推舉算法（SCLA）[5]。不同于傳統的離散小波變換(DWT)，SCLA對行與列同時(shí)進(jìn)行變換，其乘法次數是小波變換算法中最少的，而重建圖像質(zhì)量也很高，PSNR值優(yōu)于JPEG，接近JPEG2000。編碼算法采用了改進(jìn)的無(wú)鏈表零樹(shù)編碼算法(SLC)，該算法綜合了多層次零樹(shù)編碼算法(SPIHT[6])和無(wú)鏈表零樹(shù)編碼(LZC[7])的特點(diǎn)，在性能上優(yōu)于LZC，逼近SPIHT，而且易于硬件實(shí)現。
系統的架構由FPGA和兩片外部SDRAM實(shí)現。SDRAM用于緩存小波變換后的小波系數。FPGA完成小波變換算法SCLA和熵編碼算法SLC。SCLA算法由5個(gè)流水線(xiàn)小波濾波器完成，每個(gè)濾波器完成一層小波分解，而小波分解運算需要乘法器，在FPGA芯片選型時(shí)，根據小波濾波器中需要乘法器的個(gè)數選擇FPGA。在本系統中，5個(gè)流水的小波濾波器包括36個(gè)乘法器，對于亮度分量Y和色度分量UV兩路數據并行處理，則需要72個(gè)乘法器，而在Virtex4系列FPGA（XC4VLX160）中有96個(gè)DSP單元。由小波變換得到小波系數，系統設計時(shí)采用2片外部SDRAM和FPGA片內SRAM結合的方法緩存小波系數。對于亮度分量Y和色度分量UV兩路數據并行處理以提高系統吞吐量，SDRAM1和SDRAM2分量用來(lái)緩存Y和UV的小波系數。熵編碼算法SLC負責對小波系數編碼，該算法以一棵小波樹(shù)為基本處理單元，即當前端小波系數構成一棵小波樹(shù)時(shí)，熵編碼模塊便啟動(dòng)編碼，從而完成一幀圖像所有小波樹(shù)的編碼。

1.3 碼流管理模塊

對于圖像經(jīng)過(guò)FPGA壓縮后的碼流，系統采用ARM芯片進(jìn)行管理，該芯片為Cirrus Logic公司的工業(yè)級嵌入式處理器EP9315[8]。該處理器具有ARM920T核，最高主頻達200 MHz，并具有豐富的外圍接口，包括網(wǎng)絡(luò )、USB、音頻等。FPGA和ARM之間通信由I2C總線(xiàn)完成，當FPGA完成一幀圖像壓縮后，通過(guò)FPGA的GPIO發(fā)送一個(gè)終端信號給ARM，并準備好一幀碼流長(cháng)度等信息。ARM中斷服務(wù)程序響應該中斷，通過(guò)I2C接口讀走碼流長(cháng)度，通過(guò)映射SRAM的方式從FPGA讀取壓縮碼流到ARM內存，然后以文件的形式存儲碼流到本地硬盤(pán)，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到遠端服務(wù)器。

2 實(shí)驗結果與性能

2.1 算法性能驗證

系統設計初期，用軟件對算法的性能進(jìn)行了驗證。在PC上對一組Lena等標準圖像進(jìn)行壓縮，得到不同的重建圖像，對重建圖像求解PSNR值，式(2)為PSNR計算公式。其中Mean Square Error(MSE)表示原始圖像和重建圖像對應像素的均方誤差值。

表1為本系統采用算法與JPEG及JPEG2000對標準圖像壓縮后重建圖像的PSNR比較。從表中可以看出，本系統采用算法遠優(yōu)于JPEG，接近JPEG2000。PSNR值的比較以壓縮比（對應表中Bitrate）為基準，即在相同壓縮比的情況下對比PSNR值。

2.2 硬件實(shí)現和硬件壓縮

硬件系統電路板采用10層板制作工藝，電路板面積為30.8 cm×16.7 cm，在100 MHz工作頻率下對系統測試，結果表明系統工作穩定。表2為系統對1 600×1 200、1 280×1 024和1 024×768三種常見(jiàn)分辨率的計算機屏幕進(jìn)行的記錄，記錄的圖像源采用了各類(lèi)計算機屏幕常見(jiàn)圖像，如Word文檔、PPT文件、動(dòng)態(tài)雷達圖像和一段視頻。其中，PPT的平均翻頁(yè)速度為60 s。由表2可以看出，系統對于Word文檔、PPT文檔等只有局部變化的圖像能夠達到非常高的壓縮比，壓縮幀率約為60幀/s。

本文結合應用提出圖像壓縮算，以FPGA為核心計算平臺，設計了一套計算機屏幕圖像記錄系統。系統實(shí)現了對1 280×1 024×24 bit圖像每秒記錄27幀，對1 600×1 200×24 bit圖像每秒記錄17幀，對PPT、Word文檔等只有局部變化的屏幕圖像每秒可記錄60幀，且壓縮后重建圖像質(zhì)量?jì)?yōu)于JPEG，與JPEG2000接近。同時(shí)，對于壓縮后的碼流，系統采用ARM以文件的方式管理，有利于碼流本地存儲以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸等靈活的應用。另外，系統支持多種輸入接口，提高了硬件系統的靈活性，具有廣闊的應用前景。