Sobel边缘检测算法的硬件实现方法研究

论文摘要

本文主要描述了如何使用基于Xilinx公司的Spartan-3A DSP1800A FPGA芯片的Aquila-E开发板完成一个实时视频处理的系统。该系统的视频采集使用PAL制式CCD摄像头,视频信号输入的A/D解码芯片为TI公司的tvp5150a芯片。输入的模拟视频信号经过A/D解码转换为符合PAL制式的数字视频数据进入FPGA。FPGA对数字视频数据进行处理后,将处理后的视频数据以RGB565标准的格式输入视频编码芯片Philips公司SAA7105芯片。并由该芯片完成D/A转换后将结果输出至VGA接口,接显示器显示。即完成了一个实时视频采集、处理即显示的硬件系统。其中tvp5150a和SAA7105两块芯片需要利用I2C总线对其功能进行配置。本文描述了该系统从视频数据采集、解码转换、输入FPGA并采用基于Sobel算子的边缘检测处理的方法,通过实现对采集到的视频数据进行基于Sobel算子的边缘检测并实时显示（视频数据输出及显示部分由其他同学完成）,展现了该系统的实用性。本文中所描述的系统亦可实现多种基于单帧图像的图像处理,具有较强的适应性。且本系统具有较好的实时性。本文探讨了如何定义FPGA中整个系统的架构以及具体的模块划分,并阐述了各个模块实现的方法以及调试的过程。重点讨论了在调试过程中遇到的一些困难及解决方法,希望能够对以后的开发者能有所帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 当前研究现状
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 设计概述
• 2.1 硬件环境
• 2.1.1 FPGA 简介
• 2.1.2 FPGA 的开发流程
• 2.1.3 本系统所选用的FPGA 芯片
• 2.1.4 SAA7105 简介
• 2.1.5 SAA7105 的主要特点
• 2.1.6 TVP5150A 简介及特性
• 2.1.7 硬件环境整体描述
• 2.2 软件环境
• 2.2.1 FPGA 集成开发环境Xilinx ISE
• 2.2.2 仿真工具ModelSim
• 2.2.3 FPGA 调试工具ChipScope Pro
• 2.2.4 软件设计流程
• 2.3 系统结构概述
• 2.3.1 I2C 寄存器配置部分主要功能
• 2.3.2 视频输入及存储部分主要功能
• 2.3.3 视频数据处理部分主要功能
• 2.3.4 输出时序发生兼数据输出部分主要功能
• 2.4 模块划分
• 第三章 I2C 配置模块及视频输入单元模块
• 3.1 I2C 寄存器配置模块
• 3.1.1 I2C 总线介绍
• 3.1.2 I2C 写配置寄存器模块的顶层结构
• write 模块的实现'>3.1.3 I2C_write 模块的实现
• reg_ram_write 模块的实现'>3.1.4 I2C_reg_ram_write 模块的实现
• top 模块的实现'>3.1.5 I2C_top 模块的实现
• 3.1.6 I2C 配置模块的调试
• 3.2 VIU 视频输入单元模块
• 3.2.1 视频输入格式BT656 简介
• 3.2.2 视频输入单元模块的具体实现
• 3.2.3 视频输入单元模块的调试过程
• 第四章 图像处理模块
• 4.1 YCBCR2RGB 图像处理模块
• 4.1.1 基于Sobel 算子的边缘检测算法
• 4.1.2 本设计所采用的Sobel 算子边缘检测算法的流程图
• 4.1.3 YCbCr2RGB 模块的具体实现
• 4.1.4 YCbCr2RGB 图像处理模块的调试
• 第五章 仿真和验证结果及分析
• 5.1 I2C 模块仿真结果
• 5.2 视频输入模块仿真结果
• 5.3 视频输出模块仿真结果
• 5.4 视频处理模块仿真结果
• 5.5 综合结果分析
• 5.6 最终输出效果图
• 第六章 结论
• 参考文献
• 谢辞