基于FPGA的视频监控跟踪系统研究

论文摘要

随着FPGA器件的不断发展,嵌入式设计进入了一个有效高速的发展时期,FPGA与传统的基于ARM为核心的嵌入式设计相比,具有较低的投入成本,可以更加灵活方便的进行设计修改和能提供较高的并行处理速度等优点。本次采用FPGA进行视频监控跟踪系统的设计,与基于ARM的嵌入式设计不同之处在于,有很好的扩展性能和相对稳定的硬件搭建结构,可以根据不同需要随时进行相应功能的添加和实现。这样的设计方式可以缩短周期,减少很多的测试和运用之间的处理环节,体现了现代电子设计的高效和便捷。本文立足于构建SOPC系统,基于SOPC的设计灵活性、功能的可裁剪性、软硬件的可编程性和良好的集成性特点,分析了图像采集处理,运动物体的定位与跟踪算法研究等相关内容。本文重点将图像传感器CMOS根据其设计功能,完整构建了IP核,运用硬件描述和软件编程相结合的设计原则,将图像处理的和图像跟踪定位算法分别在自建的SOPC系统上利用VHDL语言实现和在Nios II IDE环境下利用C语言编程实现。论文从嵌入式在图像处理领域研究的现状开始,首先探讨了FPGA研究图像处理的可行性和整个设计功能模块的划分：其次构建了系统的结构框图,确立了整个系统使用的硬件资源；再次根据设计好的结构框图在FPGA实验平台Magic SOPC上,进行FPGA的视频采集处理系统的设计与实现。本文选用Altera公司的CycloneⅡEP2C35F672C8 FPGA芯片,根据设计需要定制图像采集跟踪的SOPC系统；最后在定制的SOPC系统上,利用NiosⅡIDE进行软核功能设计,实现图像跟踪与定位算法,并且输出控制步进电机转动的控制信号。本文重点是CMOS IP核中图像采集处理和跟踪模块的设计,如何添加使其形成完整的SOPC系统。通过最终的测试,设计基本完成了图像采集与跟踪功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究目标
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 FPGA及SOPC简介
• 2.1 可编程逻辑器件
• 2.2 现场可编程门阵列（FPGA）
• 2.3 可编程片上系统SOPC
• 2.4 SOPC开发流程
• 第3章 系统的基本组成结构
• 3.1 系统结构框图
• 3.2 系统的硬件构架
• 3.2.1 FPGA处理芯片及配置选择
• 3.2.2 存储器件选择
• 3.3 MagicSOPC FPGA开发系统介绍
• 3.3.1 电源电路
• 3.3.2 复位电路
• 3.3.3 时钟电路
• 3.3.4 VGA接口电路
• 3.4 图像传感器
• 3.4.1 图像传感器的分类
• 3.4.2 CMOS和CCD图像传感器比较
• 3.5 视频采集模块选择
• 3.6 CMOS传感器电路
• 第4章 图像采集IP核设计及SOPC系统建立
• 4.1 IP核设计的意义和概念
• 4.2 IP核在数字电路设计中的作用
• 4.3 CMOS图像采集模块IP核
• 4.3.1 CMOS传感器的传输原理
• 4.3.2 图像传输的格式
• 4.3.3 CMOS图像传感器IP核设计
• 4.4 SOPC系统的建立
• 4.4.1 CMOS IP核构建步骤
• 4.4.2 构建完整的SOPC系统
• 第5章 运动目标的检测与跟踪
• 5.1 运动目标检测算法
• 5.1.1 帧间差分法
• 5.1.2 光流场法
• 5.1.3 背景减除法
• 5.2 目标定位
• 5.3 运动目标判定与自动跟踪实现
• 5.4 运动图像的抓取的实现
• 5.5 卡尔曼预测
• 第6章 云台电机控制和图像显示
• 6.1 云台电机的选择
• 6.2 步进电机的初始化配置以相关控制程序
• 6.3 图像显示的VGA设计
• 第7章 系统整体调试与总结
• 7.1 对于建立的SOPC系统基本功能校验
• 7.1.1 生成的SOPC系统的资源利用情况
• 7.1.2 DDR SDRAM读写地址空间的检验
• 7.1.3 关于DDR SDRAM的时序问题
• 7.2 视频采集
• 结论
• 参考文献
• 致谢