【正文】 畢業(yè)設 計（ 論 文） 題 目 基于 FPGA 的實時 圖 像處理研究 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 電信 052 學 生 張樂 指導教師 劉丁 2020 張樂 ： 基于 FPGA 的實時圖像處理研究 摘 要 圖像數(shù)據(jù)是一種重要的信息資源。 隨著以計算機和計算機技術為核心的信息科學的發(fā)展，圖像處理在通訊，醫(yī)學，氣象，航空航天及教育等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。這就使得快速準 確地進行圖像處理變得越來越重要。 實際工作中常常需要對所得的圖像進行處理，從而為接下來對圖像的分析與修正作好前期準備工作。這期間最重要的是將圖像按照要求正確、真實、快速地顯示出來，以便于人工干預。因為數(shù)字攝像機、模擬像機以及普通監(jiān)視器的廣泛應用，所以，如何設計一個廣泛適用的、并能將圖像正確地顯示在普通監(jiān)視器上的圖像處理系統(tǒng)十分重要。 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 FPGA 與 PAL， GAL 器件相比，它的優(yōu)點是可以實時的 對外加的或內(nèi)置的 RAM 或 EPROM 編程，實時地改變器件的功能從而是系統(tǒng)更加靈活多變，更易于修正和功能的 擴展。 該硬件系統(tǒng) 中， 采用了基于 FPGA(ep2c35)的 圖像處理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)將圖像 采集 、顯示 和 圖像處理功能 等集成到 FPGA 的平臺上 。 主要包括視頻 A/D 轉(zhuǎn)化 芯片 SAA711 D/A 轉(zhuǎn)化芯片 SAA7128， 采 樣 控制器 、 存儲芯片 SDRAM。由該系統(tǒng)得到 分辨率 800600,60H z 的 圖像 。 SAA7113 的初始化設置 通過 I2C 總線來實現(xiàn) 。 該軟件系統(tǒng)中，使用 Verilog HDL 語言編寫和調(diào)試程序。 關鍵 詞 ： 圖像處理 、 FPGA、 Verilog HDL、 SAA7113 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） Abstract Image data is an important information resources. With the puter and puter technology at the core of the development of information science, image processing in munications, medicine, meteorology, aerospace and education play an increasingly important role. This makes for fast and accurate image processing is being increasingly important. Practical work is often derived from the need for image processing, the image for the following amendment to make the analysis and preparatory work. During this period the most important thing is the image in accordance with the requirements of the correct, true and fast to show up in order to facilitate the human intervention. Because the digital video camera, analog camera and monitor a wide range of mon applications, therefore, how to design a widely applicable and can display images correctly on the monitor in the general image processing system is very important. Fieldprogrammable gate array FPGA logic with the PAL, GAL devices pared to the advantages it can be added the external realtime, or builtin RAM or EPROM programming, realtime changes in the functions of the device and thus is more flexible system easier to amend and extend the functionality. The hardware system, based on the use of FPGA (ep2c35) image processing system, which will image acquisition, display and image processing functions into the FPGA platform. Mainly includes video A / D conversion chip SAA7113, D / A conversion chip SAA7128, sampling controller, memory chip SDRAM. By the system resolution of 800 600,60 Hz images. SAA7113 initialization settings to achieve through the I2C bus. The software system, using of Verilog HDL to language and debugger 張樂 ： 基于 FPGA 的實時圖像處理研究 Keywords: image processing, FPGA, Verilog HDL, SAA7113 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） I 目 錄 前言 ?? ???????????????? ????????? 1 第 1 章 緒論 ?? ??? ??? ??? ??? ??? ?? 4 課題背景 及研究 意義 ?????????????????? 4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ??????????????????? 5 本文章節(jié)安排 ?? ?????????????????? 7 第 2 章 系統(tǒng)整體介紹 ??? ????????????????? 8 基于 FPGA 數(shù)字圖像處理技術 ??????????????? 8 基 于 FPGA 數(shù)字圖像處理平臺? ????????????? 10 任務流程 ??????? ???????????????? 14 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 ???????????????????? 16 平臺核心 EP2C35 及 其特點 ? ?????????????? 16 外圍 硬件 ????????????????????? 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 ????????????????? ??? 32 視頻 采集 程序 ???????????????????? 36 數(shù)據(jù)格式處理 ????????????????????? 36 圖像處理算法 ????????????????????? 37 第 5 章 總結(jié) ???????????????????? ?? 40 致謝??????????????????????????? 41 參考文獻????????????????????????? 42 附錄??????????????????????????? 43 張樂 ： 基于 FPGA 的實時圖像處理研究 II 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 前 言 現(xiàn)代信息技術的迅猛發(fā)展，使得待處理的信息量急劇增加，圖像處理方面的研究與應用，尤其是實時圖像處理引起了更廣泛的關注。近年來， FPGA 技術的發(fā)展不斷將數(shù)字信號處理領域的理論研究成果應用到實際系統(tǒng)中，并且推動了新的理論和應 用領域的發(fā)展，對圖像處理等領域的技術發(fā)展也起到了十分重要的作用。基于 FPGA 的圖像處理系統(tǒng)也被廣泛的利用于各種領域 。 人類接受的信息約有 70%來自視覺。周圍景物在視網(wǎng)膜上的映像是人類最有效和最重要的信息獲取形式。而且，通過視頻獲得的視頻圖像信息往往比通過聽覺獲取的音頻信息具有更大的信息量。此外，視頻圖像信息還具有確切、直觀、具體生動、效 率高、應用廣等一系列優(yōu)點 。 由于視頻信息的上述優(yōu)點，視頻技術被廣泛應用于廣播電視、通信、娛樂、計算機等領域，在信息社會中起著越來越重要的作用。隨之發(fā)展起來的視頻信號的處理技術 也成為目前的研究熱點 本文 采用了基于 FPGA 的 圖像處理系統(tǒng) 。 用 FPGA 的好處是接口電路設計簡單；并且 FPGA 有很高的并行處理能力。在 FPGA 中使用 Verilog HDL 語言描述了大部分的控制器接口，對于視頻編解碼芯片的接口，都是直接連接到 FPGA。 該系統(tǒng)將圖像 采集 、顯示 和 圖像處理功能 等集成到 基于 FPGA 的開發(fā)板上 ， 工作的重點在于搭建 基于 FPGA 的 圖像處理硬件平臺，完成軟件的編寫，實現(xiàn)圖像處理算法。 該系統(tǒng) 采用 SAA7113 和 FPGA 實現(xiàn)系統(tǒng)前端的圖像采集以及圖像的輸出控制 常見的圖像處理系統(tǒng)框圖如圖 11 所 示。 張樂 ： 基于 FPGA 的實時圖像處理研究 2 圖 11 圖像處理 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)分為 四 個部分：圖像采集，邏輯控制，圖像存儲以及圖像 輸出 。 圖像采集：攝像機輸出的是模擬視頻信號，模擬視頻信號的制式早已標準化，所有 攝像機都遵循這些標準制式，了解模擬視頻信號的制式是系統(tǒng)設計的必要環(huán)節(jié)。模擬視頻信號的數(shù)字化是 由 視頻解碼器完成的，高性能的視頻解碼器可以接收 不 同制式的模擬視頻信號， 并將 它們轉(zhuǎn)換為數(shù) 字 視頻信號。 或者在設計中使用直接輸出數(shù)字視頻信號的一類圖像傳感器。 無論是通過 視頻解碼器獲得的數(shù) 字 視頻數(shù)據(jù) 還是直接得到的數(shù)字視頻信號，都 具有非常大的數(shù)據(jù)量和很高 的數(shù)據(jù)率， 這就為圖像的實時傳輸提出了要求。 而高速的處理正是 FPGA 平臺的優(yōu)勢所在。 邏輯控制：控制邏輯的作用主要是完成系統(tǒng)時序匹配，因為有些處理器讀取數(shù)據(jù)的時序與圖像傳感器輸出或者視頻 A/D 輸出的時序不匹配，需要使用邏輯控制器一類器件進行時序的轉(zhuǎn)換；它的另一個 功能 是對于 I2C 的控制作用 ，包括后期的視頻處理與圖像處理算法的添加 。 圖像存儲：圖像的數(shù)據(jù)是非常龐大的。例如存儲一幅圖像，大容量和快速的圖像存儲器是必不可少的。 存儲 1 幅 512? 512 的 16bit RGB 圖像需 要 4Mbit 的存儲器 空間 。 對于圖像處理，要留出 23 倍的存儲空間來存放原始數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)，對于大數(shù)據(jù)量的存儲可以選擇動態(tài)RAM 進行存儲。 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 圖像 輸出 ： 通常的圖像處理系統(tǒng)都有圖像輸出模塊， 用來 輸出圖像處理的最終結(jié)果。結(jié)果可以是最后處理完的圖像，也可以是圖像處理的其他形式數(shù)據(jù)結(jié)果。 本文中采用視頻 D/A 輸出到顯示器 的 方式。 其次， 隨著微電子技術的高速發(fā)展，實時圖像處理在多媒體、圖像通信等領域有著越來越廣泛的應用。 FPGA 就是硬件處理實時圖像數(shù)據(jù)的理想選擇，基于 FPGA 的圖像處理專用芯片的研究將成為信息產(chǎn)業(yè)的新 熱點。 本文以 FPGA 為平臺，使用 Verilog HDL 硬件描述語言設計并實現(xiàn)了 圖像二值化 、 最大類間方差法 等圖像處理算法。在設計過程中，通過改進算法和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在合理地利用硬件資源的條件下，有效地挖掘出算法內(nèi)在的并行性，采用流水線結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，提高了頂層濾波模塊的處理速度。整個設計及各個模塊都在 Altera 公司的開發(fā)環(huán)境 Quartus Ⅱ 以及第三方仿真軟件 Modelsim 上進行了邏輯綜合以及仿真。綜合和仿真的結(jié)果表明，使用 基于 FPGA 硬件處理圖像數(shù)據(jù)不僅能夠獲得很好的處理效果，達到較高的工作頻率，處理速度也 遠遠高于軟件法處理圖像 。 張樂 ： 基于 FPGA 的實時圖像處理研究 4 1 緒論 研究背景及意義 圖像處理技術應用的領域十分廣泛，從民用領域如機器人視覺、資源探測、天氣預報和各種醫(yī)學圖像分析，到軍用領域如導彈的精確制導、戰(zhàn)場的動態(tài)分析，都利用了實時圖像信號處理技術。醫(yī)學上用圖像處理技術進行顯微圖像處理分析，如紅白細胞和細菌、染色體分析、胸部 X射線照片鑒別、超聲波圖像分析。制造業(yè)用實時圖像處理技術對流水線上的零部件進行檢測，進行器件內(nèi)結(jié)構(gòu)分析、失效分析和可靠性篩選。紡織行業(yè)采用圖像處理技術檢測紡織品疵點以及紋理、圖案特征。公共安 全領域用圖像處理技