LEON3开源软核处理器动态图像边缘检测SoC设计 处理器, 动态, 检测, 经典, 硬件

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边缘检测是图像处理和计算机视觉中的基本问题，边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。边缘检测是图像处理和计算机视觉中，尤其是特征提取中的一个研究领域。
本文采用局部熵边缘检测算法，将图像采集，边缘检测和图像显示三个部分封装设计为IP(Intellectual Property)核，通过AMBA APB总线嵌入到LEON3的经典SoC架构中。实现了多路数据并行处理和DSP模块加速处理，配合CPU软核的协调参数配置功能，可以充分发挥硬件设计的高速性和灵活性。此外，由于动态图像边缘检测是图像处理应用中必不可少的一部分，因此文中设计的动态图像边缘检测SoC可以方便的移植到其他图像处理应用中，具有广泛的应用前景。
1 SoC和LEON3开源软核处理器
SoC是系统级芯片的简称，系统不仅包含了处理器内核、存储器等硬件系统，同时还含有相应的嵌入式软件，是一个真正的软、硬件均具备的完整体系。利用SoC设计方法，可以将一个复杂的系统集成到单一芯片中，并具有低功耗，低成本及高速性的特点。与利用ASIC实现的SoC相比，利用FPGA实现的SoC具有可配置性的特点，因此具有更好的可扩展性和可移植性。
LEON3开源软核处理器是Gaisler Research公司提出的一款32位、符合SPARC V8结构的开源软核处理器。它具有高性能，低复杂性和低功耗的优点。另外，所有属于GRLIB的IP核及LEON3处理器的源代码在GNU GPL(GNU General Public License，GNU通用公共许可证)授权协议下，可以免费地应用于研究和教学目的，因此，LEON3开源软核处理器特别适合于SoC的开发设计。
2 SoC系统架构设计
通过分析系统的功能与要求，结合LEON3自身架构的特点，设计基于APB总线的动态图像边缘检测Soc系统架构如图1所示。自定义IP核为本设计的重点。在LEON3的SoC架构中，APB外围低速总线为一些低速模块提供了接口。若想要在APB总线实现动态图像的实时采集、处理和显示，就要想办法使采集到的数据不参与到总线传输中去。


图1 基于APB总线的SoC架构实现框图


在本设计中，通过采用片上存储资源做FIFO的办法，使得摄像头采集到的数据得以缓存，最终在显示器上显示。在数据输出显示之前，可以选择是否经过图像边缘检测算法模块处理。若经过模块，则显示图像经过边缘检测后的结果;若不经过，则显示原始图像。
通过这种方法，避免大量图像数据参与AHB与APB总线之间的数据传输，以减少不必要的中间过程，提高数据的实时性。这样就避免了APB总线低速、低带宽与动态图像边缘检测系统高速、高带宽的矛盾。使得整个图像的数据流都在白定义IP核内部得到处理，这样既满足了APB总线的约束也实现了系统的功能需求。





3 动态图像边缘检测SoC的实现
本设计提出了一种集图像采集、存储、处理和显示于一个IP核的设计方法，也是动态图像边缘检测SoC设计的核心部分。
3.1 局部熵算法的硬件实现
局部熵边缘检测算法的基本思想是：选择待处理像素点的8邻域，即以待处理像素点为中心的3×3窗口;再由局部熵的定义式(公式1)计算出图像3×3窗口的局部熵;