采用硬件加速实现的基本思维有哪些

很多图像算法不涉及对颜色的识别，仅需要识别灰度目标的变化即可，因此很多时候需要将彩色图像转换为灰度图像，在进行进一步的处理。彩色转灰度计算公式如下：Y=0.299*R + 0.587*G + 0.144*B，作者以05年的嵌入式系统计算，采用640*480的图像进行试验，一系列的图像优化如下（只是类比，不要太在意数据）：

1）一维数组索引比三维快，因此先将RGB三维数组转成一维数组，再直接用上述公式进行计算，嵌入式系统计算时间为120秒；

2）由于Windows位图是ARGB8888的精度，因此计算结果仅需要8bit整形，可忽略小数，假定左右扩大1000倍去转定点计算，则新的公式如下：Y=(299R + 587*G + 144*B)/1000，此时嵌入式系统计算时间加快到45秒；

3）除法计算太慢，扩大2N次方可转移位操作，假定扩大4096倍转定点，则新的公式如下：Y=（R*1224+G*2404+B*467）>>12，计算进一步加快到30秒；

4）由于RGB的取值是固定的[0,255]，因此公式中每一步运算其实都可以提前计算好，然后直接索引——查找表，这样将执行计算转换成了执行索引，此时再测试计算速度惊人的提升到了2秒；

5）接着作者再马力全开，采用2个ALU并行计算，并且将查找表从int型改成unsigned short型，以及函数声明为inline，减少CPU的调用开销，最后在嵌入式系统上将计算速度提升到了0.5秒。

以上为conquer 05年《让你的软件飞起来》中的相关数据，通过软件优化的提升，从最初的120S提升到了0.5S，将近240倍，足以见得一个优秀的软件工程师的重要性，也许IOS和Windows的性能差距那么大，也由此方面原因吧。

目前多媒体视频普遍到了2K/4K的分辨率，以4K视频为例，其运算量是640*480的30.7倍（(4096*2304)/(640*480)≈30.7），那么0.5*30.7=15.35秒怎么做到实时视频处理/显示呢（60FPS下单帧16.667ms），差92000倍呢。PC采用GPU加速处理完成图形运算，但如果是终端产品，如果没有昂贵的CPU，也没有其他加速引擎，那简直天方夜谭。那么，此时主角该上场了——硬件加速器，让我们开始他的表演。
以4096*2304的4K60视频RGB转YUV为例，进行硬件思维的加速计算解说。不管是FPGA还是ASIC，以门级电路并行加速运算，时序逻辑每个时钟翻转完成一次计算。前面《让你的软件飞起来》中（2）已经完成了定点化，然后（3）采用乘法+移位的方式实现，（4）采用查找表再累加的方式实现。单从效率上考虑，两者计算一个像素的灰度均耗用3个CLK（乘法、累加、移位，或给RAM地址、读RAM数据，累加）；但从资源上对比，前者占用3个乘法器和2个加法器，乘法器数量不多，但是综合速率受器件的限制，后者则需要3个19bit*256深度的RAM，占用了更多的面积，综合速率上也受到RAM的限制。两者都用了专用单元库，但采用硬件乘法器面积更小，且灵活性更强，工作量也更小（不用专门去生成），因此用硬件加速首选采用优化方式（3），具体实现流水线如下：

STEP1：采用三个乘法器，并行计算当前输入像素的RGB通道乘法，即R*1224，G*2404， B*467；

STEP2：将上述三个结果直接进行累加；同时计算下一个像素的STEP1操作；

STEP3：将累加后的结果向右移动12bit，取低8bit得到最后的结果；同时计算下一个像素的STEP1，STEP2。

以流水线式循环操作完一副完整的图像，如果是输入到下一级算法处理，则整体的延时仅为3个CLK，因为三个时钟后得到灰度图像的1个像素，立马可以进行下一级运算；如果图像写回缓存，我们再来精算一下：以主频250MHz为例（事实上28nm ASIC跑500MHz甚至1GHz都不是问题，FPGA 45nm的250MHz也没有问题），则需要（4096*2304+2）*4ns=37.75ms>16.667ms。

直接流水线实现，貌似这还不够满足我们实时的需求，毕竟很多运算需要从内存中来，回到内存中去，还得给别的算法预留时间，彩色转灰度这只是算法的第一步而已，复杂的还没来呢。那我们继续想办法突变限制，充分利用硬件加速，挑战不可能。既然采用门级电路，那不存在线程的约束，然而我们已经采用了流水线并行计算灰度值，那进一步想是否可以同时计算n个像素的灰度值呢？答案是肯定的，如下图所示：

假设DDR控制器位宽是256bit，则一次性可以读取32个pixel的数据，32个像素同时计算需要96个乘法器，64个加法器，这些资源的需求甚至对低端的FPGA都不是问题，对于ASIC来说没有太大的面积影响。因此还是在主频250MHz，DDR控制器带宽256bit条件下，我们处理一副4096*2304彩转灰图像的时间为：37.35/32≈1.17ms<16.667ms，采用并行运算提升32倍效率后，4K图像仅需要1.17ms，完全能够满足实时性，甚至还给后续算法预留了90%以上的时间，可以满足系统的需求。

综上，采用硬件加速实现的几种基本思维，总结如下：

1）浮点转定点，硬件乘法+移位实现加速；

2）资源够的前提下，充分利用并行计算，在单位时间提升计算量；

3）充分利用流水线特性，算法采用Pipeline的方式进行计算，能不回内存就不回内存，能用localbuffer就用localbuffer；

4）尽量少用CPU参与计算，硬件自动完成状态跳转，除非最终结果浮点等复杂的运算；

文章出处：【微信公众号：FPGA自习室】

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