Xilinx Zynq-7000系列FPGA多路视频处理：图像缩放+视频拼接显示，提供工程源码和技术支持

1、前言

没玩过图像缩放和视频拼接都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。本文使用Xilinx Zynq7000系列FPGA Zynq7020实现HLS图像缩放+视频拼接，输入视频源采用OV5640摄像头模组；调用Zynq软核的片内i2c控制器将OV5640配置为1280x720@30Hz分辨率；然后调用两路自定义IP采集OV5640摄像头视频DVP转RGB888，这里的两路输入均来自同一个OV5640，即用一路来模拟两路输入；然后调用两路Xilinx官方的Video In to AXI4-Stream IP核将RGB视频流转换为AXI4-Stream视频流；添加两路自定义的HLS图像缩放IP核，将输入视频进行任意尺寸图像缩放操作，该操作通过Zynq软核SDK软件配置，其本质为通过AXI_Lite 做寄存器配置；然后调用两路Xilinx官方的VDMA IP将视频做PS侧DDR3的视频缓存操作，调用Zynq将VDMA配置为两帧帧缓存，其本质为通过AXI_Lite 做寄存器配置；然后调用两路Xilinx官方的Video Mixer IP将两路缓存的视频做视频拼接操作，调用Zynq配置两路视频的不同显示位置，其本质为通过AXI_Lite 做寄存器配置；然后调用两路Xilinx官方的Video Timing Controller IP和AXI4-Stream to Video Out IP将AXI4-Stream视频流转换为RGB视频流；然后添加自定义的HDMI发送IP将RGB视频转换为TMDS的差分视频送显示器显示；

提供一套vivado2019.1版本的工程源码和技术支持，通过SDK的配置可做成三套不同的缩放拼接方案，详情如下：

方案1：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x1080，在输出屏幕左右两边拼接输出；
方案2：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率1920x540，在输出屏幕上下两边拼接输出；
方案3：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x540，在输出屏幕左上角和右下角两边拼接输出；

方案的详细输出演示请看后面的“上板调试验证并演示”章节，三种方案的切换或改变只需修改SDK软件代码，无需修改FPGA逻辑工程；

本博客详细描述了Xilinx Zynq-7000系列FPGA多路视频处理：图像缩放+视频拼接显示的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；整个工程调用Zynq软核做IP的配置，Zynq的配置在SDK里以C语言软件代码的形式运行，所以整个工程包括FPGA逻辑设计和SDK软件设计两部分，需要具备FPGA和嵌入式C语言的综合能力，不适合初学者或者小白；

提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

FPGA图像处理方案

我的主页目前有FPGA图像处理专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像处理方案，包括图像缩放、图像识别、图像拼接、图像融合、图像去雾、图像叠加、图像旋转、图像增强、图像字符叠加等等；以下是专栏地址：
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FPGA图像缩放方案

我的主页目前有FPGA图像缩放专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像缩放方案，从实现方式分类有基于HSL实现的图像缩放、基于纯verilog代码实现的图像缩放；从应用上分为单路视频图像缩放、多路视频图像缩放、多路视频图像缩放拼接；从输入视频分类可分为OV5640摄像头视频缩放、SDI视频缩放、MIPI视频缩放等等；以下是专栏地址：
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FPGA视频拼接叠加融合方案推荐

我的主页目前有FPGA视频拼接叠加融合专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA视频拼接叠加融合方案，从实现方式分类有基于HSL实现的视频拼接、基于纯verilog代码实现的视频拼接；从应用上分为单路、2路、3路、4路、8路、16路视频拼接；视频缩放+拼接；视频融合叠加；从输入视频分类可分为OV5640摄像头视频拼接、SDI视频拼接、CameraLink视频拼接等等；以下是专栏地址：
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3、设计思路详解

提供一套vivado2019.1版本的工程源码和技术支持，通过SDK的配置可做成三套不同的缩放拼接方案，详情如下：

方案1：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x1080，在输出屏幕左右两边拼接输出；
方案2：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率1920x540，在输出屏幕上下两边拼接输出；
方案3：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x540，在输出屏幕左上角和右下角两边拼接输出；

方案的详细输出演示请看后面的“上板调试验证并演示”章节，三种方案的切换或改变只需修改SDK软件代码，无需修改FPGA逻辑工程；vivado工程源码设计框图如下：
在这里插入图片描述
框图解释：箭头表示数据流向，箭头内文字表示数据格式，箭头外数字表示数据流向的步骤；

HLS 图像缩放介绍

由于工程所用到的IP都是常用IP，所以这里重点介绍一下HLS图像缩放IP；
支持最大分辨率：1920x1080@60Hz；但可以修改HLS源码增大分辨率，前提是你的FPGA逻辑资源要够大；
输入视频格式：AXI4-Stream；
输出视频格式：AXI4-Stream；
需要SDK软件配置，其本质为通过AXI_Lite 做寄存器配置；目前只适用于Xilinx Zynq7000系列FPGA使用，但可以修改HLS工程的器件类型来适应其他器件，比如Artix7、Kintex7等等；
提供自定义的配置API，通过调用该库函数即可轻松使用，具体参考SDK代码；
提供HLS工程源码，可任意修改，HLS版本为2019.1；
模块占用的FPGA逻辑资源如下：
请谨慎评估你的FPGA资源情况；
在这里插入图片描述

Video Mixer介绍

由于工程所用到的IP都是常用IP，所以这里重点介绍一下Video Mixer IP；
支持最大分辨率：8K，即可以处理高达8K的视频；
支持最多16层视频拼接叠加，即最多可拼接16路视频；
输入视频格式：AXI4-Stream；
输出视频格式：AXI4-Stream；
需要SDK软件配置，其本质为通过AXI_Lite 做寄存器配置；
提供自定义的配置API，通过调用该库函数即可轻松使用，具体参考SDK代码；
模块占用的FPGA逻辑资源更小，相比于自己写的HLS视频拼接而言，官方的Video Mixer资源占用大约减小30%左右，且更高效：
Video Mixer逻辑资源如下，请谨慎评估你的FPGA资源情况；
在这里插入图片描述

4、vivado工程介绍

PL 端 FPGA 逻辑设计

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq7020–xc7z020clg400-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：OV5640摄像头，分辨率1280x720p；
输出：HDMI，1080P分辨率下的有效拼接视频区域显示；
工程作用：Xilinx Zynq-7000系列FPGA多路视频处理：图像缩放+视频拼接显示；
工程BD如下：
在这里插入图片描述
工程代码架构如下：

工程的资源消耗和功耗如下：

PS 端 SDK 软件设计

PS 端 SDK 软件工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
主函数通过如下的3个宏定义设计了3种不同的图像缩放拼接方案，代码如下：

3种不同的图像缩放拼接方案详情如下：

方案1：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x1080，在输出屏幕左右两边拼接输出；
方案2：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率1920x540，在输出屏幕上下两边拼接输出；
方案3：输入ov5640，分辨率1280x720；输出分辨率960x540，在输出屏幕左上角和右下角两边拼接输出；

根据前面的宏定义，主函数进行相应的图像缩放操作，并打印相关信息，代码如下：
在这里插入图片描述

5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：