基于FPGA的实时图像处理平台的研究与设计

论文摘要

当前,视频图像所包含的信息正变得越来越丰富,分辨率也在不断提升,而市场对相关产品的需求也越来越迫切,这就要求在尽快开发新产品的同时还要尽量缩短产品研发周期,而FPGA的可重复配置性正满足了此类市场的需求。同时在系统设计方面,实时图像处理对处理速度的要求比较高,传统的串行软件设计难以满足要求,而FPGA所具有的并行处理特点为解决此类问题提供了新的途径。因此,基于FPGA的实时图像处理平台的研究与设计已经倍受人们的关注。本课题设计的图像处理系统硬件平台基于Xilinx低成本Spartan系列核心芯片,软件方面采用了ISE、Modelsim及ChipScope等相关软件。本文设计中,从系统的角度考虑,采用自顶向下的设计原则,利用Verilog HDL硬件描述语言模块化设计思想,构建一种基于FPGA的实时图像处理平台。平台主要包含缓存控制模块、视频图像编解码模块以及图像处理模块。其中图像处理模块在传统图像处理方法的基础上进一步提出了自适应图像处理方法,系统参照图像客观标准评价指标,针对不同的图像质量进行判决,进而采用不同的处理算法,以期能获得更好的实时图像处理效果。最后,针对本文所设计的图像处理平台的硬件环境和相关算法,进行测试和仿真。视频环路显示的成功以及Matlab的协同仿真验证,表明了硬件设计的合理性和相关算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文内容与结构
• 第2章 图像处理平台硬件框架
• 2.1 系统设计
• 2.1.1 视频信号实时显示的基本过程
• 2.1.2 系统总体结构
• 2.2 图像采集模块
• 2.2.1 摄像机及其视频信号
• 2.2.2 解码芯片
• 2.2.3 ITU656规范
• 2.3 图像存储模块
• 2.3.1 SDRAM基本操作原理
• 2.4 图像处理模块
• 2.5 图像输出模块
• 第3章 图像处理硬件平台调试
• 3.1 ⅡC接口配置模块设计
• 3.1.1 ⅡC总线概述
• 3.1.2 ⅡC总线模块设计
• 3.2 数据存储单元设计
• 3.2.1 SDRAM控制器的设计
• 3.2.2 SDRAM控制器的仿真测试
• 3.3 平台调试与实现
• 第4章 图像处理单元设计
• 4.1 图像处理单元整体设计方案
• 4.2 图像处理模块整体设计方案
• 4.2.1 3×3模板形成模块
• 4.2.2 行列计数模块
• 4.2.3 图像处理算法模块
• 4.3 图像平滑
• 4.3.1 图像平滑算法研究与选取
• 4.3.2 快速中值滤波算法
• 4.3.3 基于FPGA实现快速中值滤波算法
• 4.3.4 图像平滑仿真测试
• 4.4 图像锐化
• 4.4.1 图像锐化算法研究与选取
• 4.4.2 基于FPGA实现阈值锐化算法
• 4.4.3 图像锐化仿真测试
• 4.5 图像处理控制器系统的设计
• 4.5.1 图像质量评价标准
• 4.5.2 图像质量控制器设计
• 4.5.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 SDRAM读写控制核心代码
• 附录二 快速中值滤波算法核心代码
• 附录三 Sobel锐化算子模块
• 附录四 图像处理窗口生成核心代码