基于FPGA的嵌入式视频图像检测系统的设计与实现

论文摘要

图像检测系统可以快速获取大量信息,易于自动处理,也易于与设计信息以及加工控制信息集成,因此,在现代自动化生产过程中,人们将图像检测系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。在当今工业应用中,人们要求图像检测系统趋向于小型化(即嵌入式)的同时,对图像检测系统的实时性要求越来越高。近年来,随着大规模集成电路的发展,可编程逻辑FPGA所包含的逻辑单元,内部存储块等资源越来越丰富,功能也越来越强大,因此FPGA在当前的嵌入式实时系统中得到广泛应用,同时FPGA凭借其强大的并行处理数据的能力和设计的灵活性在图像处理领域有着很大的优势。鉴于此,本文设计并实现了一个基于FPGA的嵌入式视频图像检测系统。基于FPGA设计的嵌入式视频图像检测系统主要包括三个部分,视频采集显示部分、图像预处理部分和图像检测部分。系统主要功能是用Verilog HDL设计硬件电路完成。本文通过设计帧缓存写控制器,将上一届两个师兄设计的视频采集模块和视频显示模块连接起来,并改进了他们的设计,构建了一个在显示动态视频图像的同时叠加显示人机交互界面的视频采集显示系统。针对FPGA适合大数据量规则运算和并行处理数据的特点,以字符图像检测为目标,设计了适合FPGA实现的图像处理算法硬件电路。在图像滤波阶段,设计了图像滤波的五级流水线结构,一次运算的时间即可完成中值滤波、膨胀、腐蚀滤波等五次运算,极大地提高了处理速度;在二值化阶段采用易于用硬件实现的直方图方法求取全局阈值,通过求取直方图的三个峰值来避免阈值误判,进而完成二值化;字符分割阶段应用投影法来分割字符,投影的本质就是统计像素点,硬件实现的速度快、资源占用少;特征提取阶段采用易于用硬件实现的具有统计性质的、根据局部特征的、适应性较好的13特征点提取方法来提取特征。在硬件设计完成后,用软件设计模板匹配,来完成字符检测,并把检测结果通过人机交互界面显示出来。本文通过SOPC技术集成硬件和软件设计,充分发挥软硬件各自的特点,实现软硬件协同操作,提高系统性能;设计适合FPGA实现的算法,克服硬件不宜实现复杂算法的弱点;充分发挥FPGA并行处理数据强的特点,使整个视频图像检测系统有很强的实时性;充分发挥了FPGA设计灵活的特点,对于不同的检测要求只需改变参数就可以了。经过系统测试表明,视频采集显示系统能够稳定实时的运行,在此基础上实现的视频字符图像检测系统能够准确地检测出字符的正误,并且系统有很强的实时性,同时消耗的FPGA逻辑资源也不多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状与趋势
• 1.3 研究的主要内容及论文结构
• 1.3.1 动态视频的采集、存储和显示
• 1.3.2 视频图像的预处理
• 1.3.3 视频字符图像的检测
• 1.4 论文章节的组织
• 第二章 嵌入式视频图像检测系统总体架构
• 2.1 视频图像检测系统的总体框架
• 2.1.1 视频采集和存储模块
• 2.1.2 视频显示模块
• 2.1.3 图像处理模块
• 2.1.4 模板匹配模块
• 2.1.5 人机交互界面模块
• 2.1.6 软硬件的划分
• 2.2 基于FPGA的SOPC嵌入式系统的开发平台
• 2.2.1 FPGA开发平台和开发工具
• 2.2.2 建立视频图像检测的SOPC系统
• 2.3 本章小结
• 第三章 动态视频采集显示
• 3.1 视频采集
• 3.1.1 视频标准
• 3.1.2 ADV7181B芯片的初始化
• 3.1.3 稳定信号检测模块
• 3.1.4 ITU656解码模块
• 3.1.5 YUV4:2:2到YUV4:4:4的转化
• 3.1.6 YUV4:4:4转换为RGB
• 3.2 视频数据的存储
• 3.2.1 帧缓存写控制器
• 3.2.2 容错模块
• 3.2.3 快照模块
• 3.3 视频显示和人机交互界面
• 3.4 动态视频采集显示的测试
• 3.4.1 动态视频采集显示结果
• 3.4.2 资源消耗情况
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于FPGA的视频图像的预处理
• 4.1 目标区域的视频图像截取
• 4.1.1 目标区域的视频图像截取的方案选取
• 4.1.2 视频图像目标区域的判定和RAM地址的生成
• 4.1.3 RGB转换为灰度图像
• 4.2 基于FPGA的视频图像的滤波
• 4.2.1 移动的3×3邻域的生成
• 4.2.2 快速中值滤波
• 4.2.3 快速腐蚀滤波
• 4.2.4 快速膨胀滤波
• 4.3 基于FPGA的视频图像的二值化
• 4.3.1 二值化的设计框图
• 4.3.2 基于直方图双峰法的阈值求取
• 4.3.3 阈值求取的改进
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于FPGA的字符检测的设计与实现
• 5.1 字符检测过程的概述
• 5.2 图像滤波的流水线结构
• 5.2.1 字符图像预处理中的滤波处理
• 5.2.2 多次滤波的流水线结构
• 5.3 基于投影的字符分割的设计与实现
• 5.3.1 投影法的基本原理
• 5.3.2 字符图像的粗分割
• 5.3.3 字符图像的细分割
• 5.4 字符特征提取
• 5.5 字符模板匹配的软件设计
• 5.5.1 字符模板制作
• 5.5.2 字符模板匹配
• 5.6 字符检测系统测试结果
• 5.6.1 字符检测结果
• 5.6.2 系统消耗的时钟数
• 5.6.3 系统资源消耗情况
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究特色
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文