论文摘要
进入21世纪以后,随着微电子、计算机、网络和通信技术的迅速发展,数字图像在信息社会中发挥着越来越重要的作用,数字图像处理的应用越来越广泛。超大规模集成电路的迅猛发展为数字图像处理技术提供了硬件基础。现场可编程门阵列FPGA具有高性能、高集成度、低功耗的特点,其可编程特性使得设计者可以方便地通过对逻辑结构的修改和配置完成系统的升级,FPGA在嵌入式数字图像处理系统中有着独特的优势。本文对比分析了各种图像采集和处理方案的原理和特点,采用了FPGA内嵌NIOS软核处理器的图像采集和处理系统的设计方案,并对图像的空间域和变换域处理方法,如图像的预处理、边缘检测、图像分割以及图像识别匹配技术、FFT算法的应用与实现等进行了研究,探讨适合本课题图像特点并易于硬件实现的图像处理方法。本文应用基于NIOS嵌入式处理器核的SOPC（System On Programmable Chip）技术,采用QuartusII、SOPC Builder、Matlab及DSP Builder等开发工具和VHDL等编程语言,创建和配置了NIOS软核处理器,生成了系统的核心硬件电路和软件开发包,用VHDL编程完成对图像传感器、SDRAM、LCD、FIR滤波器等电路的接口设计,并对SOPC设计的硬件电路进行了仿真验证;在系统的软件设计中,将实时操作系统μC/OS-II移植到NIOS上,利用C语言设计了适合本系统图像特点的模式识别程序;对整个系统进行了调试,并以PDF417二维条码的识别为例,对识别过程及识别算法进行研究,并对所设计的系统进行测试,达到了较好的识别效果。整个系统将算法、模型及多种接口功能在一个FPGA芯片上实现,系统具有软硬件可重构、体积小、编程灵活、易于推广使用等特点,本系统对于数据量小于1M×8bit的图像采集与处理具有通用性。实验测试结果表明,该系统具有较高的精度,并且系统运行过程受环境影响小,能满足图像采集和处理的工作环境要求。基于NIOS软核处理器嵌入式的图像采集处理系统可实现图像信号的采集,存储以及处理的一体化,可广泛应用于工业自动化生产,监护/防盗系统,机器人视觉等系统中,具有着广阔的应用前景。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 选题背景和意义1.2 图像采集与处理技术的发展概况及应用1.3 嵌入式系统与数字图像处理系统1.4 本文研究的主要内容第二章 系统总体方案设计2.1 系统的功能分析2.2 系统方案的确定2.3 系统的整体方案设计2.4 SOPC 技术简介及开发流程2.4.1 SOPC 技术简介2.4.2 开发工具2.4.3 SOPC 系统开发流程2.5 本章小结第三章 数字图像处理技术研究3.1 数字图像的基本概念3.2 数字图像处理的内容3.3 数字图像处理方法3.3.1 数字图像处理方法基本分类3.3.2 图像预处理3.3.3 图像的几何变换3.3.4 图像的边缘检测3.3.5 图像分割3.3.6 图像识别中的匹配技术3.4 图像的变换域处理及应用3.4.1 傅立叶变换及FFT 算法概述3.4.2 基于FFT 的相关算法设计3.4.3 FFT 算法的实现形式3.4.4 频率域低通滤波3.5 本章小结第四章 系统的硬件设计与SOPC 实现4.1 图像采集电路设计4.1.1 CMOS 图像传感器简介4.1.2 图像传感器接口电路设计4.2 基于NIOS 的SOPC 系统硬件设计4.2.1 FPGA 芯片Cyclone EP1C12 简介4.2.2 Nios 嵌入式处理器核的硬件设计4.2.3 数字图像信号FFT 分析的SOPC 实现4.2.4 FIR 数字滤波器设计4.2.5 外围电路及接口模块的硬件设计4.3 本章小结第五章 系统软件设计5.1 实时操作系统μC/OS-II 在NIOS 上的移植5.1.1 开/关中断的实现5.1.2 堆栈的初始化5.1.3 OSStartHighRdy 的实现5.1.4 任务级上下文切换的实现5.1.5 中断级上下文切换的实现5.1.6 时钟中断服务程序的实现5.1.7 μC/OS-II 在NIOS II IDE 中的配置5.2 实时操作系统下的软件设计5.2.1 系统模块及任务的划分5.2.2 系统初始化子程序5.2.3 图像采集子程序5.2.4 图像处理与识别子程序5.2.5 串口通信子程序5.2.6 LCD 显示子程序5.3 本章小结第六章 系统调试与应用实例6.1 系统调试6.1.1 硬件系统调试6.1.2 系统软件调试6.2 系统应用实例---PDF417 二维条码的识别6.2.1 PDF417 二维条码简介6.2.2 PDF417 二维条码识别过程6.3 本章小结第七章 总结与展望参考文献致谢附录附图个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果
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