基于FPGA的图像采集和处理系统的设计

论文摘要

随着科学技术的进步和社会财富的积累,视频监控系统逐步走进社会生产生活的各个领域。微电子技术的飞速发展和计算机图像处理技术的日趋成熟则给了视频监控系统设计新的思路和选择。视频监控系统从功能上可以分为图像数据采集端、数据传输端和监控端。作为视频监控系统的重要组成部分——图像采集系统的设计质量直接影响到整个系统的速度和精度,所以受到越来越多的重视。本论文设计了一种基于可编程逻辑器件来实现图像数据采集和图像处理的实时系统。论文提出了一种新的尝试——利用SOPC技术和软硬件协同设计的理念,采用基于FPGA嵌入式芯片来实现系统设计构想的方案。系统通过CMOS图像传感器采集现场图像数据,并转换成标准工业分辨率640*480的RGB格式数据,再进行JPEG压缩编码处理,以降低数据量,便于数据传输到监控端,在监控端对数据解码还原成可供VGA显示的RGB数据。整个图像采集和处理系统与数据传输模块和显示模块组合成一个实时的网络化视频监控系统。具体的设计特点如下：系统用嵌入式芯片FPGA替代传统的PC机为控制核心,设计图像采集处理系统。从采集到处理采用全数字的数据流的方式,方便了之后的数据传输和更多的图像处理。并且降低了成本、功耗和体积,在功能扩展和硬件升级的灵活性上也有了极大的提升。为了满足图像数据处理的实时性,采用软硬件协同的方式来设计系统。利用硬件并行处理的优势,采用Verilog硬件语言完成图像采集和图像缓存设计,而复杂的JPEG编解码算法则在Nios软核中由软件设计完成。系统基于SOPC技术的设计,保证数据从硬件—总线—Nios软核中顺利传递。此外,系统还利用DE2-70平台丰富的外围设备和接口,通过SD卡的加入,方便了数据的存储。系统通过编写总线接口模块将硬件的图像采集和图像缓存模块封装成SOPC系统可用的自定义IP核,辅以丰富的外设接口IP和标准组件,大大节省了底层开发的时间和效率,实现了系统的功能设计。设计的自定义IP核相对独立并且可以重用。本课题的图像采集处理系统的设计与实现,为进一步的视频监控系统的功能扩展有着借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和意义
• 1.2.1 视频监控系统的发展与现状
• 1.2.2 数字图像处理技术的发展与现状
• 1.2.3 嵌入式系统的发展与现状
• 1.3 课题的提出
• 1.4 本论文的研究内容和论文结构
• 第二章 SOPC系统架构总体设计
• 2.1 SOPC概述及开发流程
• 2.1.1 SOPC概述
• 2.1.2 SOPC的开发流程
• 2.2 系统总体设计
• 2.2.1 系统需求分析
• 2.2.2 系统的设计思想及实现方法
• 2.2.3 系统的设计流程
• 2.3 系统架构
• 2.3.1 系统的硬件结构
• 2.3.2 系统的软件结构
• 2.4 系统开发平台介绍
• 2.4.1 硬件开发平台
• 2.4.2 软件开发平台
• 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统的硬件模块架构
• 3.1.1 FPGA内部硬件模块架构
• 3.1.2 Quartus Ⅱ下硬件设计流程
• 3.1.3 Avalon总线介绍
• 3.2 硬件各模块的原理及实现
• 3.2.1 图像采集模块的设计
• 3.2.2 图像缓存模块的设计及挂载
• 3.2.3 SD卡控制模块的设计及挂载
• 3.3 SOPC系统的搭建
• 3.3.1 使用SOPC Builder搭建系统
• 3.3.2 使用Quartu Ⅱ生成系统
• 本章小结
• 第四章 NIOSⅡ系统的软件设计
• 4.1 NIOS Ⅱ处理器概述
• 4.1.1 Nios Ⅱ处理器及Nios Ⅱ IDE软件开发环境
• 4.1.2 基于Nios Ⅱ IDE软件设计流程
• 4.2 硬件IP模块的软件驱动
• 4.2.1 图像采集的软件驱动
• 4.2.2 SD卡软件驱动
• 4.3 图像压缩和解压缩的算法实现
• 4.3.1 JPEG图像压缩技术
• 4.3.2 JPEG编解码流程
• 本章小结
• 第五章 系统的调试及验证
• 5.1 硬件电路仿真
• 5.1.1 SignalTap逻辑分析仪简介
• 5.1.2 使用内嵌逻辑分析仪验证系统
• 5.2 软件设计验证及相关数据
• 5.2.1 NiosⅡ IDE中的数据验证
• 5.2.2 JPEG编解码算法验证及数据指标
• 5.3 系统参数及资源使用
• 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A:攻读硕士学位期间发表的论文