设计报告

摄像头捕捉多色块FPGA设计报告

组员：

2018年12月21日

变更履历

目录1设计概要

1.1作品简述

1.2关联资料

1.3功能概要

1.4设计开发环境

2主要器件信息

2.1AN070 LCD显示屏

2.1.1器件简介

2.1.2驱动时序

2.1.3硬件连接

2.2AX309黑金开发板

2.2.1器件简介

2.2.2功能介绍

3设计详述

3.1.1基本理论

3.1.2色度理论

3.1.3设计代码

一、设计概要

1.作品简述

基于AX309型号FPGA开发板、AN070 LCD显示屏及ov7670摄像头等模块，实现摄像头的驱动以及多色块图像的捕捉：用摄像头将图像数据显示在显示屏上，并找出图像中的色块，如橙色的乒乓球和蓝色的瓶盖，找到后用方框框出，多色块追踪，即同时追踪多种颜色的色块。

2.关联资料

①黑金开发板之7寸LCD屏模块用户手册Rev. 1.00

②7.0inch-A070VW05 V2[1]

③RGB转HSL算法举例

3.功能概要

①实现显示屏上图像数据的显示；

②实现单个色块的捕捉及追踪并用方框框出；

③实现多个色块的同时捕捉、同时追踪。

二、主要器件信息

1.AN070 显示屏

①器件简介

本次设计采用的是7寸LCD屏(AN070)黑金开发板。AN070 LCD屏模块由TFT 液晶屏(TFT LCD液晶屏, 型号为A070VW05V2)和驱动板组成。

图1 LCD屏正面图

图2 LCD屏背面图

其参数如下：

显示像素：800(水平)*480(垂直）；颜色深度：16.7M种颜色(RGB 24位色)；供电和功耗：单电源供电5V，功耗为1.8瓦。

②驱动时序

行时序：

LCD屏显示方式从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点显示，每显示完一行,再回到屏幕左边下一行的起始位置，在这期间，需要对行进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行同步；数据在DCLK的上升沿采样。行显示的时序图如下所示。

图3 行显示时序图

列显示：

当显示完所有行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使LCD显示回到屏幕左上方，同时进行场消隐,开始下一帧。列显示的时序图如下所示。

图4 列显示时序图

③硬件连接

黑金的7寸LCD显示模块有两种连接接口，一个是40针的2.54mm的排母P4，另一个是40针的FPC插座J1(下接触）。本次设计40针排针连接。其排母信号排列如下所示。

图5 排母信号排列示意图

2.AX309黑金开发板

①器件简介

AX309使用的是XILINX公司的SPARTAN6系列芯片,型号为

XC6SLX9-2FTG256C,是256脚的FPGA封装。开发板有两路黑金标准的AX扩展口,

一共有34*2=68个IO,另外引出了5V电源,3.3V电源,还有多路GND。

图7 AX309黑金开发板

②功能介绍

通过AX309结构示意图可见：

1）USB 接口供电同时实现USB转串口功能；

2）一片大容量256Mbit SDRAM,可作为数据的缓存；

3）一片16Mbit的SPI FLASH,可用作FPGA配置文件和数据的存储；

4）一个摄像头接口，可接500万的OV7670摄像头；

5）一路VGA接口，VGA接口为16bit，可以显示65536种颜色，可以显示彩色图片等信息；

6）一片RTC实时时钟，配有电池座，电池的型号为 CR1220；

7）一片IIC接口的EEPROM 24LC04；

8）4个红色LED；

9）4个独立用户按键；

10）板载50M的有源晶振，给开发板提供稳定的时钟源；

11）2路40针的黑金标准AX扩展口（2.54mm 间距），其中34个IO口，1路5V 电源，2路3.3V电源，3路GND。可同时接两个扩展模块；

12）预留了JTAG口，可对FPGA进行调试和程序固化；

13）1 路Micro SD卡座，支持SPI模式；

14）1个6位数码管，可以6位数字的动态显示。

图8 AX309结构示意图

三、设计详述

1.基本理论

首先摄像头拍摄，画面传到FPGA之后，利用中值滤波和图像区域分解技术对图像进行预处理。中值滤波可以提高后续环节尤其是统计特征值提取环节数据计算的准确度。图像区域分解是将分辨率为320*240的原始图像分解为400个区域块的集合，并分别存储对应存储单元中。

预处理后的图像送入特征向量分析模块。在RGB及灰度两个颜色空间分别对400个区域块数据进行分析，给出两个不同的特征向量矩阵，压缩后续处理的数据量。在目标检测及连通域分析模块中，将两个特征向量矩阵中各元素与目标特征向量进行比较，统计目标的个数，输出RGB颜色空间及灰度颜色空间的目标矩阵A1、A2（矩阵中的每一个元素是目标编号或背景编号0）。目标轨迹判定模块通过对之前各帧中目标偏移位置做环路滤波，计算出目标可能的位置。决策树模块根据目标轨迹的返回值，比较目标矩阵A1和A2 中的元素，给出最优的目标矩阵。利用质心跟踪算法给出各目标最终质心位置，云台控制模块对目标做出反应。

2.色度理论

色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，它是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。

色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。以对光强的度量来说, 物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量, 而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。辐射能量很大的波长很长的红光对人来说却没有辐射能量很小的黄光亮, 人们就认为黄光的强度比红光大。