基于FPGA的图像处理系统

图像处理不仅能够识别处理人类视觉，而且通过不同的采集系统，可以使人 看到任意波长上测得的图像，比如红外、X 光、伽玛相机等等。这样，数字图像 处理在实际中得到了广泛的应用，如遥感、通信、生物和医学、安全监控、视频 多媒体甚至是公共安全、军事、航空航天领域，在日常生活、经济发展、国家安 全各个方面起到越来越重要的作用。
通过该系统的设计表明，FPGA 芯片不仅可以起到胶合逻辑的功 能，对外围模块进行控制和连接，而且可以取代 DSP(数字信号处理 器)处理器完成图像处理算法的实现。采用 FPGA 实现图像处理是一 种稳定、有效、经济的方案。
关键词：现场可编程门阵列，图像处理，I2C 总线，异步 FIFO，滤波 器
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基于 FPGA 的图像处理系统
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中南民族大学硕士学位论文
The design shows that, FPGA chips can not only be used as glue logic functions, control and connect peripheral modules, but also can replace the DSP processor to achieve image processing algorithm. Use FPGA to implement image processing is a stable, effective and economical solution. Key Words: FPGA , Image processing ,I2C Bus, async FIFO,Filter
由于数字图像处理的应用范围越来越广，设计一种基于 FPGA 的高速图像处 理系统是有意义的。
1.2 图像处理技术的发展
数字图像处理的发展主要体现在处理算法和实现算法的平台的发展上。目 前，图像处理的算法种类繁多，主要有传统的图像处理技术、图像分析和理解的
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基于 FPGA 的图像处理系统
智能处理技术[3]。传统的图像处理包括图像的基本运算、图像变换、图像增强、 图像复原、图像的编码和压缩、图像边缘检测、图像分割、图像重建等。图像分 析和理解的智能处理包括图像特征分析、形态学图像处理、图像配准、图像识别、 图像融合、图像检索和数字水印等。
中南民族大学 硕士学位论文 基于FPGA的图像处用 指导教师：汪红 2011-05-03
中南民族大学硕士学位论文
摘要
数字图像处理技术在日常生活、生产建设、国防安全等方面有着 广泛的应用。传统的图像处理技术在处理大量数据时很难同时满足处 理效果和实时性要求，芯片技术的快速发展，使得通过硬件实现数字 图像的实时处理成为可能，其中 FPGA(现场可编程门阵列)由于其并 行计算的特点成为了实时图像处理的理想选择。
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中南民族大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。
经过这么多年的研究，产生了种类繁多的图像处理算法，可以针对不同的情 况对图像进行有效的处理。例如图像在采集和传输的过程中产生的噪声，可以采 用均值滤波、中值滤波、高斯滤波等方法去噪；图像曝光不适采用增强对比度的 方法改善，如灰度变换法、直方图修正法、自适应线性增强法等；图像抖动可以 采用逆滤波、最小二乘方滤波、约束去卷积等算法处理。通过这些算法，改善图 像的质量，使之更容易的被人们分析、利用。
In the image processing module, make full use of parallel computing features of FPGA, improved filtering algorithm, combine with pipeline structure to improve the processing speed of the algorithm. At the same time, use Simulink and System Generator to design the algorithm modular, these tools simplifies the implementation process, greatly improved development speed. Through the simulation and testing to verify that the algorithm can effectively achieve the desired functions.
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中南民族大学硕士学位论文
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
数字图像处理[1]作为计算机应用的诸多领域中的一种，经过多年的发展，已 经成为了一门比较独立的学科。近十几年来，随着计算机和各个研究领域的迅速 发展，数字图像处理技术不论是在算法上还是在实现方法上，都取得了长足的进 步。目前，图像处理技术已经成为人们认识世界，改造世界的重要手段。
(1) 图像基本运算 图像基本运算包括代数运算和几何变换，代数运算是对图像的像素进行加、 减、乘、除等运算，可以改变图像的直方图分布；几何变换是对图像的放大、缩 小、旋转等，可对图像进行几何校正。 (2) 图像变换 图像变换是指对图像进行空间域和频率域的变换，有傅立叶变换、离散余弦 变换等，可以使人们从频率域的角度来分析图像的特征。 (3) 图像增强 图像增强是为了改善图像的视觉效果，通过采用对比度增强、直方图修正、 图像平滑、图像锐化等处理，改善图像质量，方便分析。 (4) 图像复原 图像复原是对质量下降的图像进行修复，采用均值滤波、中值滤波、高斯滤 波等去除噪声，采用逆滤波、同态滤波、最小二乘方滤波去模糊。 (5) 图像编码与压缩 数字图像数据量大，通过编码来压缩数据，可以节省存储空间和传输带宽。 图像编码主要有预测编码、变换编码、统计编码和混合编码四大类。 (6) 图像边缘检测 图像边缘包含了图像方向、形状等信息，是图像的基本特征之一。多采用边 缘检测算子进行计算，如 Robert 算子、Sobel 算子、Laplace 算子、Kirsch 算子和 Canny 算子等。 (7) 图像分割 图像分割是将图像分割为逻辑上有意义的区域的集合。通过对图像的边缘、 颜色、纹理等的分析达到分割的目的。准确的分割很困难，是对图像进一步分析 的基础。 (8) 图像重建 图像重建是利用采集的数据来重建出图像，主要算法有代数法、迭代法、傅 立叶投影法、卷积反投影法。将多个二维图像进行三维重建，再配以光照和渲染， 以形成具有真实感的图像。 (9) 图像特征分析 图像特征分析是对图像中感兴趣的部分进行检测、提取，以建立对图像的描 述。常用的特征有颜色、纹理、形状等。 (10) 图像配准
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随着人们对图像清晰度要求的提高，要处理的图像的分辨率越来越大，同时 一些应用对实时性有较高的要求，这种在短时间内处理大量数据的要求使得在通 用计算机上用软件来实现图像处理变得很困难。随着数字信号处理器（DSP）， 大规模可编程逻辑器件（ CPLD/FPGA）和大规模/超大规模集成电路（ LSI/VLSI） 的高速发展和广泛应用，使得实时图像处理变得可能。DSP 是一种具有特殊结构 的微处理器，以进行乘法、加法运算为主的数学计算或高速数学处理为主。FPGA 作为大规模的可编程逻辑器件，具有丰富的可配置逻辑资源，极大的灵活性和高 并行性，能够提供强大的并行计算能力和带宽。DSP 和 FPGA 由于这些优点， 现在已被作为实现实时图像处理的首选平台[2]。
Abstract
Digital image processing technology have a wide range of applications in daily life, production, construction, national defense and security. Traditional image processing techniques is difficult to meet the treatment effect and real-time requirements when dealing with large amounts of data. With the rapid development of chip technology, making the hardware to achieve real-time digital image processing possible, FPGA is an ideal choice for real-time image processing because of its parallel computing characteristics.
This paper outlines the current situation of digital image processing, FPGA's structural features, working principle, development processes and tools. After depth analysis of digital video standards, i discuss the development process and key technologies of FPGA-based real-time image processing system. System realizes the function of video capture, image processing and image display, including video capture module, configuration module based on I2C bus, asynchronous FIFO module, decoding module, DDR controller module, image processing module and display module, all these function modules are implement in FPGA. The video signal collected by a CCD sensor and transmitted to the decoder chip TVP5150PBS, the A/D operation converted the video signal to ITU-R BT.656 format, the asynchronous FIFO buffer the video data and then send to the decoding module, this module converted the color image to the gray image. The DDR SDRAM buffer the images frame, then send image signals to the image processing module, image signal be processed and then converted to analog signal by the D/A converter chip SAA7121H, analog signal output to display.
在图像处理模块中，充分利用 FPGA 并行计算的特点，改进了滤 波算法，结合流水线结构，提高了算法的处理速度。同时，利用 Simulink 与 System Generator 来进行算法的模块化设计，简化了实现 过程，极大地提高了开发速度。通过对系统进行仿真和测试，验证了 算法模块能有效实现预期功能。
论文概述了数字图像处理的发展现状，以及 FPGA 的结构特点、 工作原理、开发流程及工具。在深入分析数字视频标准的基础上，详 细讨论了基于 FPGA 的实时图像处理系统的开发过程和采用的关键 技术。系统实现了视频采集功能、图像处理功能和图像显示功能，包 括视频采集模块、I2C 总线配置模块、异步 FIFO(先进先出)模块、解 码模块、DDR 控制模块、图像处理模块和显示模块在内的各功能模 块完全采用 FPGA 芯片实现。由 CCD 传感器采集的视频信号传输给 解码芯片 TVP5150PBS，经 A/D 转换为 ITU-R BT.656 格式的视频信 号，经异步 FIFO 缓冲后送入解码模块获得要处理的灰度图。图像由 DDR SDRAM 帧缓存，在传给图像处理模块进行预处理后由 D/A 转 换芯片 SAA7121H 转换为模拟信号输出。