基于FPGA的数字图像处理

基于FPGA的数字图像处理
摘要:随着数字多媒体技术的不断发展,数字图像处理技术被广泛应用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中。

图像处理系统一般包括两个部分:图像采集部分和图像处理部分。

图像采集部分由专用的视频处理器、图像缓存和控制接口电路组成。

图像处理部分可以是计算机,也可以是专用图像处理器件,或者是两者的结合。

由于底层图像处理的数据量很大,要求处理速度快,但运算结果相对比较简单,以FPGA作为主要处理芯片的图像处理系统非常适合于对图像进行处理。

关键词:FPGA 数字图像数据处理
数字图像处理的特点是处理的数据量大,处理非常耗时,本文研究了在FPGA上用硬件描述语言实现图像处理算法,通过功能模块的硬件化,解决了视频图像处理的速度问题。

随着微电子技术的高速发展,FPGA为数字图像信号处理在算法、系统结构上带来了新的方法和思路。

图像处理系统的发展大致分为三个阶段。

第一阶段大体上是20世纪60年代末到20世纪80年代中期,当时的代表产品是美国和英国的一些公司推出的各种图像计算机以及图像分析系统。

第二阶段是从20世纪80年代中期到20世纪90年代初期,该阶段的特点是小型化,外部结构不再是机箱式而是插卡式。

第三阶段是从20世纪90年代初开始,这阶段的产品出现两大类,一种仍是采用插卡式,随着PCI总线技术的成熟,采用PCI总线的产品逐步取代采用ISA总线接口的产品。

随着近些年来多媒体技术的发展,人们对视频信息的需求愈来愈强烈,图像采集与处理显得越来越重要。

依托计算机技术、通信技术和网络条件的发展以及数字信号处理的快速发展,图像处理系统出现以下发展趋势。

(1)随着硬件的发展,图像处理系统的性能会越来越高,价格会逐步降低。

(2)图像处理系统的功能都会集成在一个便于携带使用方便的电子设备上,不需要PC和各种辅助设备。

(3)由于网络的普及,图像处理系统将和网络结合,实现远程的图像采集和传输。

(4)图像处理系统内部将集成开发软件,使得用户更加容易根据自己的需要开发相应的图像处理算法,系统的效率更高。

数字集成电路由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路,发展到超大规模集成电路(VLSIC)以及许多具有特定功能的专用集成电
路(ASIc)。

FPGA具有很强的灵活性,可以通过软件,根据需要无限次的更改其内部硬件逻辑,改变芯片功能,因此可以将原来由软件顺序执行和实现的图像处理以及检测算法,改变为由FPGA实现的基于门电路的硬件算法。

目前,FPGA芯片在集成度、容量和速度方面都达到了较高的水平,己经能够完成复杂的逻辑运算。

目前,FPGA芯片己经具备了许多功能。

(1)支持D／A和A／D,包含达到50HMz以上的差分接口。

(2)采用片内锁相环,在支持高速时钟的同时减少信号的畸变和实现时钟的复用。

(3)在提供更丰富的布线资源的同时,对逻辑和I／O功能块做了进一步的简化。

(4)为满足用户对不同规模的RAM的要求,在芯片内提供分布RAM和块RAM。

(5)简化的逻辑功能块包含独立的快速进位逻辑,提供专门的乘法电路可满足DSP等应用的要求。

(6)逻辑功能块的局部布线和相互间的通用布线,可以精确的预测网线的延时。

(7)I／O功能块有快速的I／O驱动、寄存的输入输出、三态使能
控制、可编程控制的上拉和输入延时等控制特性。

FPGA的结构及原理。

FPGA的结构大致分为两种,一种是基于乘积项的PLD结构,这种PLD基本都是由Ep(5)FPGA开发工具智能化,功能强大。

(6)新型FPGA内嵌CPU或DSP核,支持软硬件协同设计,可以作为片上可编程系统(soPc)的硬件平台。

可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

图像处理系统主要由三部分组成:图像采集模块,图像处理模块和图像显示模块。

图像采集模块实现的功能是捕获图像,由SAA7113解码完成;图像处理模块进行图像的处理,主要由FPGA进行;图像显示部分则由SAA7121编码模块完成。

图像处理系统中,底层的图像预处理的数据量很大,要求处理速度快,但运算结果相对比较简单,适用于用FPGA通过硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。

FPGA结构的最大特点是结构灵活,有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高运算、处理的效率,同时开发周期短,易于维护和扩展,适于实时图像处理;对不同算法有较强的适应能力。

图像处理,主要是通过对像素的一些运算提高图像质量,在图像处理过程中,虽然处理算法简单,但参与运算的数据量大,数据需多次重复使用,因此,图像处理往往是图像处理系统中最为耗时的环节,对整
个系统速度影响。