基于FPGA的实时图像处理系统的设计与实现

论文摘要

机器视觉处理系统以其非接触、抗干扰性强、实时性、灵活性和精确性等特点,被广泛应用于目标识别与跟踪、工业检测等领域。本文为了解决目前检测设备和系统存在的不足,利用现有成熟的技术构建了新型的视觉检测系统,有着显著的研究和实用意义,以及极大的应用前景。本文分析了适合视觉检测的图像处理算法对系统实时性能的影响,为了解决处理的实时性问题,提出了并行处理的方法,采用可并行处理器件进行图像检测处理。由于信号运算与处理单元是整个系统的核心部分,运算量非常大,传统方法不能满足真正实时要求,本文通过对现场可编程逻辑阵列(FPGA)器件的结构和工作方式的分析,利用FPGA进行信号的运算和处理,得出FPGA在实时性要求较高的处理场合具有速度和资源优势。利用先进的FPGA开发工具System Generator对图像处理算法进行了系统级建模和仿真验证,自动生成适合硬件实现要求的文件,省去了繁重的编写VHDL (Verilog)代码和修改过程,提高了开发效率,缩短了开发周期。根据开发环境和图像处理板卡系统的功能特点,将功能实现进行了合理的软硬件划分,完成了上位机与下位机之间的实时通信和处理。针对系统的核心(图像预处理)部分,在FPGA设计中,实现了预处理的快速中值滤波和边缘检测的硬件电路,将流水线处理技术和并行处理等技术应用到电路设计中,提高了处理速度,节省了硬件资源。最后,设计了简单的上位机控制软件,对设计的预处理电路进行了实验验证,并且实现了上、下位机联合调试,结果表明,基于FPGA的图像处理硬件算法实现电路能够满足系统功能和速度上的要求,达到了预期的效果,具有较好的实用参考价值。本文对FPGA的高性能开发工具System Generator实现高速数字信号处理的快速设计作了探索和尝试,对今后完成以FPGA为核心的快速实时信号处理的设计与开发有着积极的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的来源及研究意义
• 1.2.1 课题的来源
• 1.2.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 机器视觉检测的特点和研究现状
• 1.3.2 利用FPGA进行图像处理及IP核研究现状
• 1.3.3 基于FPGA的机器视觉技术的发展前景
• 1.4 课题研究内容和论文结构
• 1.4.1 课题研究的内容
• 1.4.2 论文结构
• 第二章 系统开发流程及基础理论
• 2.1 基于Anaconda卡的机器视觉系统开发流程
• 2.2 Anaconda-CL卡基本情况
• 2.2.1 Anaconda-CL卡的特点
• 2.2.2 Anaconda-CL开发工具
• 2.3 FPGA技术
• 2.3.1 FPGA的结构与特点
• 2.3.2 FPGA开发流程
• 2.3.3 FPGA基本开发工具
• 2.4 本章小结
• 第三章 图像处理算法及其硬件实现分析
• 3.1 视觉图像处理系统中的图像处理算法
• 3.2 图像边缘检测算法
• 3.2.1 图像边缘的定义
• 3.2.2 基于一阶微分的边缘检测算子
• 3.2.3 基于二阶微分的边缘检测算子
• 3.3 图像边缘检测的预处理算法
• 3.3.1 RGB图像转换为灰度图
• 3.3.2 空域图像平滑算法
• 3.4 图像处理算法的Matlab仿真
• 3.4.1 边缘检测算法的Matlab仿真
• 3.4.2 RGB图像转换为灰度图的Matlab仿真
• 3.4.3 中值滤波的Matlab仿真
• 3.5 硬件实现分析
• 3.5.1 卷积运算的硬件实现
• 3.5.2 图像边缘检测算法的硬件实现分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于System Generator的硬件电路设计与实现
• 4.1 System Generator开发流程
• 4.1.1 System Generator开发步骤
• 4.1.2 System Generator开发规则
• 4.1.3 开发流程
• 4.2 边缘检测模块的System Generator设计与实现
• 4.2.1 System Generator中图像边缘检测算法的建模
• 4.2.2 两种图像边缘检测算法的建模结构比较
• 4.2.3 线缓冲模块的设计
• 4.2.4 阀值比较模块
• 4.2.5 资源估算比较
• 4.3 边缘检测算法System Generator仿真
• 4.4 其它功能块的System Generator设计与实现
• 4.4.1 图像空间转换模块设计
• 4.4.2 中值滤波器电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 Anaconda卡的Firmware设计与实现
• 5.1 概述
• 5.2 FPGA接口设计
• 5.2.1 PBI接口设计
• 5.2.2 Xscale接口设计
• 5.3 FPGA功能设计
• 5.3.1 FIFO电路的实现
• 5.3.2 图像处理模块电路仿真
• 5.4 FPGA的Firmware设计
• 5.4.1 FPGA与上位PC机通信协议
• 5.4.2 FPGA中寄存器设计
• 5.4.3 数据转换
• 5.5 上位机程序设计
• 5.5.1 上位机读写FPGA寄存器
• 5.5.2 Firmware文件下载
• 5.5.3 图像的获取
• 5.5.4 FPGA数据的获取
• 5.6 系统模拟调试
• 5.6.1 软件注册
• 5.6.2 调试窗口
• 5.6.3 下载Firmware文件
• 5.6.4 寄存器设置情况
• 5.6.5 获取及实时处理结果显示
• 5.7 性能分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ（攻读学位其间发表论文目录）