基于FPGA的实时图像融合处理系统的逻辑设计

论文摘要

随着多媒体技术发展,数字图像处理已经成为众多应用系统的核心和基础。图像处理作为一种重要的现代技术,已经广泛应用于军事指挥、大视场展览、跟踪雷达、电视会议、导航等众多领域。因而,实现高分辨率高帧率图像实时处理的技术不仅具有广泛的应用前景,而且对相关领域的发展也具有深远意义。大视场可视化系统由于屏幕尺寸很大,只有在特制的曲面屏幕上才能使细节得到充分地展现。为了在曲面屏幕上正确的显示图像,需要在投影前实时地对图像进行几何校正和边缘融合。而现场可编程门阵列(FPGA)则是用硬件处理实时图像数据的理想选择,基于FPGA的图像处理技术是世界范围内广泛关注的研究领域。本课题的主要工作就是设计一个以FPGA为核心的硬件系统,该系统可对高分辨率高刷新率(1024*768@60Hz)的视频图像实时地进行几何校正和边缘融合。论文首先介绍了图像处理的几何原理,然后提出了基于FPGA的大视场实时图像融合处理系统的设计方案和模块功能划分。系统分为算法与软件设计,硬件电路设计和FPGA逻辑设计三个大的部分。本论文主要负责FPGA的逻辑设计。围绕FPGA的逻辑设计,论文先介绍了系统涉及的关键技术,以及使用Verilog语言进行逻辑设计的基本原则。论文重点对FPGA内部模块设计进行了详细的阐述。仲裁与控制模块是顶模块的主体部分,主要实现系统状态机和时序控制;参数表模块主要实现SDRAM存储器的控制器接口,用于图像处理时读取参数信息。图像处理模块是整个系统的核心,通过调用FPGA内嵌的XtremeDSP模块,高速地完成对图像数据的乘累加运算。最后论文提出并实现了一种基于PicoBlaze核的I2C总线接口用于配置FPGA外围芯片。经过对寄存器传输级Verilog HDL代码的综合和仿真,结果表明,本文所设计的系统可以应用在大视场可视化系统中完成对高分辨率高帧率图像的实时处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 大场景可视化系统产生的背景
• 1.2 大场景可视化系统的发展现状
• 1.3 本课题的提出
• 1.4 论文的主要工作及章节安排
• 1.4.1 论文的主要工作
• 1.4.2 论文的章节安排
• 第二章 图像处理算法
• 2.1 图像的几何校正
• 2.1.1 图像的空间变换
• 2.1.2 灰度插值
• 2.2 图像的边缘融合
• 2.3 图像的色彩校正
• 2.4 本章小结
• 第三章 实时图像融合处理系统方案
• 3.1 实时图像融合处理系统的组成结构
• 3.1.1 一般图像处理系统的组成结构
• 3.1.2 本论文提出的实时图像融合处理系统的组成结构
• 3.2 实时图像融合处理系统的总体方案介绍
• 3.2.1 数据采集模块
• 3.2.2 原始图像SRAM 接口模块
• 3.2.3 参数表SDRAM 模块
• 3.2.4 图像处理模块
• 3.2.5 结果图像SDRAM 控制器模块
• 3.2.6 图像输出模块
• 3.2.7 ARM 接口模块
• 3.2.8 仲裁与时序控制模块
• 3.3 本章小结
• 第四章 FPGA 技术与 Verilog 设计
• 4.1 FPGA 技术
• 4.1.1 FPGA 技术简介
• 4.1.2 数据流关键技术分析
• 4.2 Verilog 设计原则
• 4.2.1 面积和速度的平衡与互换原则
• 4.2.2 硬件原则
• 4.2.3 系统原则
• 4.2.4 同步原则
• 4.3 本章小结
• 第五章 FPGA 内部模块设计
• 5.1 仲裁与控制模块
• 5.1.1 图像处理的帧间切换信号
• 5.1.2 有效行信号及有效像素信号
• 5.1.3 四进制计数器
• 5.2 图像处理参数表模块
• 5.2.1 参数表控制器顶层模块结构图
• 5.2.2 读写FIFO 的时序设计
• 5.2.3 SDRAM 的读写时序设计
• 5.2.4 命令生成器
• 5.2.5 地址生成器
• 5.3 图像处理模块
• 5.3.1 读取原始图像信息和权值信息
• 5.3.2 对齐计算数据
• 5.3.3 图像处理
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于 PicoBlaze 的 I2C 配置总线设计
• 6.1 I2C 总线简介
• 6.1.1 I2C 总线的优点
• 6.1.2 I2C 总线特性
• 6.2 使用I2C 总线设置外围芯片工作模式的常用方法分析
• 6.3 基于 PicoBlaze 的新型 I2C 配置研究与设计
• 6.3.1 PicoBlaze 处理器结构及应用开发过程
• 6.3.2 AD9887A 采集芯片控制寄存器简介
• 6.3.3 基于PicoBlaze 的I2C 配置总线模块设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 个人简历及攻硕期间的研究成果