基于FPGA的图像采集处理系统设计与实现

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大连海事大学

硕士学位论文

基于FPGA的图像采集处理系统设计与实现

姓名：姜华

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动

指导教师：樊印海

20090701

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中文摘要

摘要

随着当今科学技术的迅猛发展，数字图像处理技术正在各个行业得到广泛的应用，而ＦＰＧＡ技术的不断成熟改变了通常采用并行计算机或数字信号处理器（ＤＳＰ）、专用集成电路（ＡＳＩＣ）等作为嵌入式处理器的惯例。可编程逻辑器件（ＦＰＧＡ）凭借其较低的开发成本、较高的并行处理速度、较大的灵活性及其较短的开发周期等特点，在图像处理系统中有独特的优势。鉴于课题需求，本文提出了一种基于ＦＰＧＡ的图像采集处理系统解决方案，并选用低成本高性能的Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｅｌｏｎｅｌＩＩ系列ＦＰＧＡＥＰ３Ｃ４０Ｆ３２４为核心，设计开发了图像采集处理的软硬件综合系统。

本文详细阐述了如何在ＦＰＧＡ中嵌入ＮｉｏｓｌＩ软核处理器并完成图像采集处理系统功能的设计方案。硬件电路上，系统设计了三块电路板：ＦＰＧＡ核心处理板、图像采集卡、图像显示卡，其中通过ｆｆｃ总线对采集卡的工作模式进行配置，在采集模块控制下，将采集到的图像数据存储到ＳＤＲＡＭ；根据ＶＧＡ显示原理及其时序关系，设计了ＶＧＡ显示输出控制模块，合成了ＶＧＡ工作的控制信号，又根据ＶＧＡ显示器的工业标准，合成ＶＧＡ接口的水平和帧同步信号。逻辑硬件上，应用ＳＯＰＣＢｕｉｌｄｅｒ工具生成了ＦＰＧＡ内部的逻辑硬件功能模块，定制了ＮｉｏｓｌｌＩＰｃｏｒｅ、ＣＭＯＳ图像采集模块、ＶＧＡＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ及其１２Ｃ总线接口，系统各模块间通过Ａｖａｌｏｎ总线连接起来。软件部分，在ＮｉｏｓｌＩ内核处理器上实现了彩色图像颜色空间转换、二值化、形态学腐蚀处理及其目标定位等算法。实验结果证明了本文提出的方案及算法的正确性，可行性。关键词：ＦＰＧＡ；颜色空间转换；形态学腐蚀处理；目标定位；Ｎｉｏｓｌｌ

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英文摘要

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｖｅｒｙｆａｓｔ．ＡｓＦＰＧＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｏｒｂｅｃｏｍｅｓｍａｔｕｒｅａｎｄｉｓＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ

ａｇｏｉｎｇｔｏｔａｋｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ（ＤＳＰ），ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ（ＡＳＩＣ）ａｓｎｅｗｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ

ｐｒｅｃｅｐｔ．ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｗｉｔｈｉｔｓ

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ｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．

ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｗａｙｏｆｈｏｗｔｏｉｎｓｅｒｔｔｈｅＮｉｏｓｌＩｓｏｆｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒＣＯｒｅｉｎＦＰＧＡ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌｉｓｅｌａｂｏｒａｔｅｄｔｈｅｒｅｉｎａｆｔｅｒ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｈｒｅｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄｓ：ＴｈｅＦＰＧＡｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｂｏａｒｄ，ｔｈｅｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅｃａｒｄ，ｔｈｅｉｍａｇｅｄｉｓｐｌａｙｂｏａｒｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ１２Ｃｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅｃａｒｄｉｓｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｄ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃａｐｔｕｒｅｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅｉｍａｇｅｄａｔａｃａｐｔｕｒｅｄｉｓｓａｖｅｄｉｎＳＤＲＡＭ；ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＶＧＡｄｉｓｐｌａｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｉｍｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ＶＧＡｄｉｓｐｌａｙａｎｄｏｕｔｐｕｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅＶＧＡｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｉｇｎａｌｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ａｌｓｏａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＶＧＡｍｏｎｉｔｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙｓｔａｎｄａｒｄ，ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｆｒａｍｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅａｒｅｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅＶＧＡｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ．Ｌｏｇｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅＦＰＧＡｉｎｔｅｒｎａｌｌｏｇｉｃｈａｒｄｗａｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎ

ｃｏｒｅｍｏｄｕｌｅｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＳＯＰＣＢｕｉｌｄｅｒ．ＮｉｏｓｌＩＩＰｉｓｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ，ｔｈｅ

ａｒｅＣＭＯＳｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅｍｏｄｕｌｅ，ＶＧＡＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅＩｚＣｂｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．

Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｍｏｎｇｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｕｌｅｓｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ

ｐａｒｔ，ｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＡｖａｌｏｎＢｕｓ．Ｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，

ａｌｅｓｏｆｔｗａｒｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｔｈｅｃｏｌｏｒｉｍａｇｅ，ｃｏｌｏｒｓｐａｃｅｂｉｎａｒｙｚａｔｉｏｎ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔａｒｇｅｔｒｅａｌｉｚｅｄ

ｉｎＮｉｏｓｌＩｃｏｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｓｃｈｅｍｅｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

ＫＥＹＷＯＲＤ：ＦＰＧＡ；Ｃｏｌｏｒｓｐａｃｅｒｉｇｈｔａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｃｏｒｒｏｓｉｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｔａｒｇｅｔｌｏｃａｔｉｏｎ；Ｎｉｏｓｌｌ

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