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1、毕业设计（论文）题 目 基于FPGA的实时 图像处理研究 专 业 电子信息工程 班 级 电信052 学 生 张乐 指导教师 刘丁 2009 摘 要图像数据是一种重要的信息资源。随着以计算机和计算机技术为核心的信息科学的发展，图像处理在通讯，医学，气象，航空航天及教育等领域发挥着越来越重要的作用。这就使得快速准确地进行图像处理变得越来越重要。实际工作中常常需要对所得的图像进行处理，从而为接下来对图像的分析与修正作好前期准备工作。这期间最重要的是将图像按照要求正确、真实、快速地显示出来，以便于人工干预。因为数字摄像机、模拟像机以及普通监视器的广泛应用，所以，如何设计一个广泛适用的、并能将图像正确地
2、显示在普通监视器上的图像处理系统十分重要。现场可编程逻辑门阵列FPGA与PAL，GAL器件相比，它的优点是可以实时的对外加的或内置的RAM或EPROM编程，实时地改变器件的功能从而是系统更加灵活多变，更易于修正和功能的扩展。该硬件系统中，采用了基于FPGA(ep2c35)的图像处理系统，该系统将图像采集、显示和图像处理功能等集成到FPGA的平台上。主要包括视频A/D转化芯片SAA7113、D/A转化芯片SAA7128，采样控制器、存储芯片SDRAM。由该系统得到分辨率800600,60Hz的图像。SAA7113的初始化设置通过I2C总线来实现。该软件系统中，使用Verilog HDL语言编写和
3、调试程序。关键词：图像处理、FPGA、Verilog HDL、SAA7113AbstractImage data is an important information resources. With the computer and computer technology at the core of the development of information science, image processing in communications, medicine, meteorology, aerospace and education play an increasingly imp
4、ortant role. This makes for fast and accurate image processing is becoming 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 im
5、age 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 common applications, therefore, how to design a widely applicable and can display images correct
6、ly on the monitor in the general image processing system is very important. Field-programmable gate array FPGA logic with the PAL, GAL devices compared to the advantages it can be added the external real-time, or built-in RAM or EPROM programming, real-time changes in the functions of the device and
7、 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,
8、 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 debuggerKeywords: image processing, FPGA, Verilog HDL, S
9、AA7113目 录前言1第1章 绪论 41.1课题背景及研究意义41.2国内外发展现状 51.3本文章节安排 7第2章 系统整体介绍82.1 基于FPGA数字图像处理技术82.2 基于FPGA数字图像处理平台102.3 任务流程14第3 章 系统硬件设计163.1 平台核心EP2C35及其特点163.2 外围硬件17第4 章 系统软件设计324.1 视频采集程序364.2 数据格式处理364.3 图像处理算法37第5章 总结40致谢41参考文献42附录43前 言现代信息技术的迅猛发展，使得待处理的信息量急剧增加，图像处理方面的研究与应用，尤其是实时图像处理引起了更广泛的关注。近年来，FPGA技
10、术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展，对图像处理等领域的技术发展也起到了十分重要的作用。基于FPGA的图像处理系统也被广泛的利用于各种领域。人类接受的信息约有70%来自视觉。周围景物在视网膜上的映像是人类最有效和最重要的信息获取形式。而且，通过视频获得的视频图像信息往往比通过听觉获取的音频信息具有更大的信息量。此外，视频图像信息还具有确切、直观、具体生动、效率高、应用广等一系列优点。由于视频信息的上述优点，视频技术被广泛应用于广播电视、通信、娱乐、计算机等领域，在信息社会中起着越来越重要的作用。随之发展起来的视频信号的处理技术也成为目
11、前的研究热点本文采用了基于FPGA的图像处理系统。用FPGA的好处是接口电路设计简单；并且FPGA有很高的并行处理能力。在FPGA中使用Verilog HDL语言描述了大部分的控制器接口，对于视频编解码芯片的接口，都是直接连接到FPGA。该系统将图像采集、显示和图像处理功能等集成到基于FPGA的开发板上，工作的重点在于搭建基于FPGA的图像处理硬件平台，完成软件的编写，实现图像处理算法。该系统采用SAA7113和FPGA实现系统前端的图像采集以及图像的输出控制常见的图像处理系统框图如图1-1所示。图1-1 图像处理系统框图系统分为四个部分：图像采集，逻辑控制，图像存储以及图像输出。图像采集：摄
12、像机输出的是模拟视频信号，模拟视频信号的制式早已标准化，所有摄像机都遵循这些标准制式，了解模拟视频信号的制式是系统设计的必要环节。模拟视频信号的数字化是由视频解码器完成的，高性能的视频解码器可以接收不同制式的模拟视频信号，并将它们转换为数字视频信号。或者在设计中使用直接输出数字视频信号的一类图像传感器。无论是通过视频解码器获得的数字视频数据还是直接得到的数字视频信号，都具有非常大的数据量和很高的数据率，这就为图像的实时传输提出了要求。而高速的处理正是FPGA平台的优势所在。逻辑控制：控制逻辑的作用主要是完成系统时序匹配，因为有些处理器读取数据的时序与图像传感器输出或者视频A/D输出的时序不匹配
13、，需要使用逻辑控制器一类器件进行时序的转换；它的另一个功能是对于I2C的控制作用，包括后期的视频处理与图像处理算法的添加。图像存储：图像的数据是非常庞大的。例如存储一幅图像，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。存储1幅512512的16bit RGB图像需要4Mbit的存储器空间。对于图像处理，要留出2-3倍的存储空间来存放原始数据以及处理后的数据，对于大数据量的存储可以选择动态RAM进行存储。图像输出：通常的图像处理系统都有图像输出模块，用来输出图像处理的最终结果。结果可以是最后处理完的图像，也可以是图像处理的其他形式数据结果。本文中采用视频D/A输出到显示器的方式。其次，随着微电子技术的
14、高速发展，实时图像处理在多媒体、图像通信等领域有着越来越广泛的应用。FPGA就是硬件处理实时图像数据的理想选择，基于FPGA的图像处理专用芯片的研究将成为信息产业的新热点。 本文以FPGA为平台，使用Verilog HDL硬件描述语言设计并实现了图像二值化、最大类间方差法等图像处理算法。在设计过程中，通过改进算法和优化结构，在合理地利用硬件资源的条件下，有效地挖掘出算法内在的并行性，采用流水线结构优化算法，提高了顶层滤波模块的处理速度。整个设计及各个模块都在Altera公司的开发环境Quartus 以及第三方仿真软件Modelsim上进行了逻辑综合以及仿真。综合和仿真的结果表明，使用基于FPGA硬件处理图像数据不仅能够获得很好的处理效果，达到较高的工作频率，处理速度也远远高于软件法处理图像。1绪论1.1研究背景及意义图像处理技术应用的领
