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基于FPGA的视频图像采集与预处理系统设计

1绪论 (1)

1.1课题研究背景和意义 (1)

1.2研究现状 (2)

1.2.1视频图像采集系统研究现状 (2)

1.2.2图像处理系统研究现状 (2)

1.3论文组织结构 (4)

1.4本章小结 (4)

2FPGA介绍及系统整体方案 (5)

2.1FPGA概述 (5)

2.2FPGA的设计原则与设计流程 (5)

2.3硬件开发平台介绍 (7)

2.4系统总体设计 (7)

2.5本章小结 (8)

3FPGA外围硬件电路设计 (9)

3.1系统电源电路设计 (9)

3.2FPGA配置电路设计 (9)

3.3视频解码电路设计 (11)

3.4SDRAM视频缓存电路设计 (12)

3.5视频D/A转换器电路设计 (14)

3.6VGA接口 (15)

3.7本章小结 (16)

4视频图像采集与预处理系统的FPGA设计 (17)

4.1系统总体设计 (17)

4.2视频图像采集模块 (17)

4.2.1CCD工作原理 (17)

4.2.2I2C总线协议 (18)

4.2.3视频解码芯片的I2C配置 (19)

4.3视频解码模块 (22)

4.3.1ITU-656标准 (22)

4.3.2ITU-656数字解码模块 (23)

4.4SDRAM控制器设计 (25)

4.4.1SDRAM工作原理 (25)

4.4.2SDRAM基本操作 (26)

4.4.3SDRAM跨时钟域设计 (28)

西安理工大学工程硕士专业学位论文

4.4.4SDRAM控制器设计 (30)

4.4.5乒乓缓存操作设计 (31)

4.4.6SDRAM控制器的实现与验证 (32)

4.5VGA控制器模块 (34)

4.5.1VGA时序 (34)

4.5.2VGA控制器模块设计 (35)

4.6视频图像预处理模块 (37)

4.6.1色彩空间转换模块 (37)

4.6.2图像边缘检测模块 (39)

4.6.3形态学滤波处理模块 (44)

4.7本章小结 (46)

5实验验证及结果分析 (47)

5.1视频图像采集系统实验验证 (48)

5.2视频图像预处理实验验证 (48)

5.3系统总体实验验证 (50)

5.4本章小结 (50)

6总结与展望 (51)

6.1总结 (51)

6.2展望 (51)

致谢 (53)

参考文献 (55)

攻读硕士学位期间发表的论文 (59)

绪论

1绪论

1.1课题研究背景和意义

人类在日常生活中可以通过感觉器官对外界事物进行感知，其中视觉是所有感官中最重要的一部分，一般情况下在信息传送方面，图像表现的更为直接，通过图像的记录我们可以很方便的知道一件事情的发生经过，通常人类所获得的信息中有70%是通过视觉所获得的，因此对视觉数据的记录、传播、处理有着非常重大的意义。

随着科学技术的迅速发展，基于视觉的检测与实时处理系统在人们的日常生活中变得越来越重要，并广泛应用于公安交通、安全监控、力学实验、工业检测等领域【1】，在目前现有的视觉系统中，大多还是以远程监控、安全防卫系统为主，随着人们安全防范意识的提高，视频监控作为一个能直观、及时、准确提供丰富的信息安全工具倍受大家关注，而视频监控系统能正确的检测到目标图像是基于视频图像采集和图像预处理系统来完成的。

图像采集的功能是将采集到的模拟信号经过模数转换之后，传输给计算机显示，图像预处理是后续数字图像处理的基础，由于在采集过程中，获取的图像不可避免的会存在一些噪声、变形等缺陷，因此需要对图像做进一步的预处理，以提高图像的视觉质量，之后再进行复杂有针对性的处理工作，从而满足人的视觉心理和应用需求。而且在一些图像采集速度要求较高，并且需要实时处理大量数据的场合，由于图像数据量大而系统的数据缓存及传输能力有限，导致数据采集的速度受到限制，进而影响系统的后续图像处理速度【2】。基于以上情况，给出了一种在FPGA上实现对复杂环境下图像采集和预处理的设计方案，该方案既能完成传统图像的采集功能，又能实现常见图像的预处理算法，将一些最初在计算机软件中执行的图像预处理算法移到系统前端采集部分上完成，可以有效降低原始图像数据中的冗余信息，提高图像有用信息的采集和处理效果。

一般情况下图像处理都是基于软件进行的，而对于FPGA的图像处理设计却是基于硬件完成的，这样做的目的是因为FPGA是硬件可编程的，当需要要对系统进行升级改造时，无需重新设计硬件，只需要对FPGA代码进行在线修改烧录即可，它能够以很低的成本保持系统的灵活性，并且FPGA的并行特性非常适用于图像处理领域，在逻辑资源允许的条件下，它可以在一个时钟周期内同时处理多个数据，对于同等数据量的运算，它的处理速度更快，减少了运算所需的时间，能够满足系统实时性要求。

因此本论文在进行视频图像采集和图像预处理时将使用FPGA作为主控制芯片，能够使整个系统在实时性和灵活性方面具有很大的提高【3】。希望通过本课题的研究，学习掌握图像采集和预处理算法的关键技术及开发方法，实现图像的采集功能，并能为视频监控设备的设计和以后进行机器视觉研究及目标物体跟踪提供一定的参考作用。