1、摘要I本科毕业论文（20 届）基于 FPGA 的图像处理平台实现设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘要数字图像处理技术是信息科学中近几年来发展最为迅速的学科之一。目前数字图像处理技术被广泛用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中。随着图像处理系统精确化。高速化和高度集成化的发展，其对数据处理速度的要求越来越高，对体积、功耗和升级能力的约束越来越严格，单纯使用 DSP 或ASIC 的图像处理系统已经很难满足上述需求。大量实践证明，FPGA 的并行处理能力与流水线作业能显著的提高图像处理的速度，FPGA 可重构处理器在加速图像处理应用方面也
2、日益重要，而且 FPGA 能够快速的处理大量的数据，是图像处理最佳的产品。本文设计了一种基于 FPGA 的图像处理平台系统。它的主要功能有：对摄像头送来的红外差分图像数据进行采集，实现简单的基于 Verilog 的图像均值滤波算法程序。该系统采用 Xilinx 公司 FPGA 芯片作为中央处理器，数字信号由 CCD 传感器送入， FPGA 图像处理模块完成均值滤波图像处理算法，由 PCI传出信号。关键字：数字图像，FPGA ，VerilogAbstractIIIAbstractDigital image processing technology is one of the informati
3、on science in recent years the fastest growing disciplines. Digital image processing technology is widely used in the field of aerospace, communications, medical, and industrial production. With the precision of the image processing system. High-speed and highly integrated development of increasingl
4、y high speed data processing requirements and increasingly stringent constraints on the size, power consumption and upgrade capabilities, simple to use DSP or ASIC image processing system has been difficult to meet the above needs. A lot of practice, FPGA parallel processing capabilities and pipelin
5、e operations can significantly improve image processing speed, FPGA reconfigurable processors to accelerate image processing applications are also increasingly important.Designed an FPGA-based image processing platform. Its main functions are: the video signal sent by the camera acquisition, to achi
6、eve a simple procedure based on the the Verilog image mean filtering algorithm. The system uses a Xilinx FPGA chip as the central processor, digital signal by the CCD sensor into the FPGA image processing module mean filter image processing algorithms, the outgoing signal from the PCI. Keywords: dig
7、ital image， FPGA ，Verilog.目录IV目录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 图像处理技术发展及现状 .21.3 论文工作 .31.4 论文安排 .4第二章 图像处理系统硬件选择 .52.1 FPGA 设计概述 .52.1.1 FPGA 的发展及特点 .52.1.2 FPGA 的设计方与流程 .62.2 Virtex-4 系列 FPGA 芯片介绍 .82.2.1 Virtex-4 系列 FPGA 的特点 .82.2.2 可配置逻辑单元 .92.3 DSP 芯片介绍 .112.3.1 6416 的硬件结构 .11
8、2.3.2 6416 的内核 .14第三章 图像处理硬件设计方案 .153.1 图像处理平台的功能描述 .153.2 图像处理板的硬件结构 .153.3 各模块的结构与链接 .173.3.1 LVDS 接口 .173.3.2 XCLX100 的配置 .173.3.3 DSP 的最小模块 .193.3.4 DSP 的外部存储器接口设计 .203.3.5 FPGA 与 DSP 的连接 .21目录V3.3.6 FPGA 晶振电路 .223.3.7 MAX3221.233.3.8 FPGA、DSP 电源电路设计 .243.4 PCB 制板 .253.4.1 PCB 布局 .253.4.2 布线规则 .
9、26第四章 系统的软件开发环境 .284.1 ISE 开发环境 .284.1.1 ISE 软件开发环境简介 .284.1.2 ISE 设计流程 .284.2 Verilog HDL 语言 .294.3 目标物体图像检测 .304.4 直方图统计 .31第五章 全文总结 .35参考文献 .36致谢 .37第一章 绪论1第一章 绪论 1.1 课题背景 图像处理是指对图像进行加工、优化处理，从中提取满足人们各种需要的信息。随着计算机技术的发展，利用计算机对图像进行各种加工处理，使图像处理技术更加成熟，应用更加广泛。目前，图像处理技术就在医疗保健、军用、民用各种领域中扮演者极其重要的角色。起初，美国喷
10、气推动实验室对1964 年 7 号航天探测器发回来的月球照片进行了图像处理，在考虑了多种影响因素的情况下，成功绘制出了月球表面地图，图像处理技术的这一成功运用，推动了数字图像处理这一门技术的发展，并在之后的宇宙航天技术发展中，都发挥着巨大的应用。而且，现在很多国家都在利用遥感卫星获取图像进行农林业和城市的规划。在医学方面，根据 CT 装置获得人体各部位清晰地断层图像。为了提高医学诊断的准确性，对各种细胞组织的图像进行分割，找出所要的组织、器官或者病变区。这些都离不开图像处理技术。图像处理技术在其他领域的应用亦是如此或不可缺。图像处理系统的构成如下图。通信处理输入 输出显示存储打印合成采集图 1
11、.1 图像处理系统的构成系统中，图像输入是指输入质量差的、需要处理加工的图像。图像输出是第一章 绪论2指输出处理完的质量好的图像。图像处理这一步骤是整个系统中最重要的步骤，可以利用计算机与一些比较专用的图像处理器件的结合系统，也可以是二者其中之一。专用的图像处理器件主要有 DSP、FPGA 和 ASIC，这些图像处理器件连接相关的电路可以完成各种图像处理算法。由于微电子技术、超大规模的集成电路技术的迅速发展，特别是可编程门阵列 FPGA 芯片的发展，不断地为发展图像处理技术提供了新的研究思路和方法。由于一些处于底层的需要处理的图像数据量极大，运算结果相对来说比较简单，所以要求处理的速度快，因此
12、以 FPGA 作为主要处理芯片的图像处理系统非常适合于对图像进行处理。FPGA 技术配置可重构设备把一个通用的计算机平台转化为一个专门用于图像处理的硬件系统，相当与计算机任务同时在时间上和空间上展开，由于FPGA 的逻辑结构可以随用户编制的代码而改变，因此基于 FPGA 的数字信号处理系统能根据运算情况重组自身资源，形成一个新的专用处理电路，从而充分利用了硬件电路高效和并发执行的优势，具有与专用集成电路相媲美的性能。同时，FPGA 可以实现一定的自我修复和自我进化的功能，可以根据需要人工或自适应的切换配置镜像文件，利用固定的可重构资源实现多种功能。1.2 图像处理技术发展及现状图像处理技术经历
13、了以下几个阶段的发展：20 世纪 60 年代末到 80 年代中期，图像处理系统是机箱式的结构，系统占据空间大，价格昂贵，使用起来也不是很方便。清华大学研制出的的图像采集系统和图像计算机在中国是比较有代表性的。80 年代中期到 90 年代初期，此时图像处理系统的体积逐渐缩小，外部结构也改为插卡式。把图像卡插到计算机内，就构成了图像采集系统。这种图像卡大都开始采用大规模集成电路甚至是专用集成电路，它的特点体积小、价格低、使用方便。此时，在国内，中科院和清华大学都成功的研制出了一系列的比较实用的图像采集卡。从 90 年代初开始， PCI 总线技术逐渐取代 ISA 总线技术，此时国内的很多公司都推出了
14、自己研发的 PCI 图像卡。另一种图像卡是采用大规模的集成电第一章 绪论3路或专用芯片，由于 ASIC、DSP 和 FPGA 芯片集成度及运算速度得到大幅度的提高，而价格也在大幅度的降低，当时人们主要用这些芯片构成图像处理系统进行图像处理的。随着近年来多媒体技术的发展，人们对图像处理的需求也越来越多，往往要同时处理大量图像信息，现阶段图像处理技术的实现方法主要有一下几种：1.应用软件在通用计算机上实现。这种方法几乎要占用 CPU 全部的处理能力，而且只能用于算法验证、信号的离线处理或仿真研究，处理的速度非常慢。虽然用户可以自己根据需要编写软件或者使用现成的软件包，但是这种方法并不适合用于实时系
15、统。2.用专用的加速卡在通用计算机系统中实现。当处理大量图像数据时，加速卡与计算机之间交换数据的速度非常慢。这种方法专业性很强，而且应用范围广，并不适合嵌入式。3.一般单片机的实现。单片机一般使用冯依诺曼总线结构，主要应用于不太复杂的图像数据的处理，由于运算的速度不快，不适合处理运算量大的图像数据处理算法。4.用可编程门阵列 FPGA 实现。在图像处理系统中处理的数据量往往比较大，处理速度的要求也很高，然而图像处理的算法结构比较简单。这个时候特别适合用 FPGA 硬件来实现图像的处理。1.3 论文工作本文提出了基于 FPGA 的硬件实现方案,可以分为三个部分：硬件系统的总体设计、硬件系统各个模
16、块的设计、FPGA 软件设计。本设计主要从这三个部分着手进行分析设计，主要任务如下：1.完成硬件各个功能模块设计和整机电路的总体方案，构造了满足应用要求的整体系统；2.重点了解核心器件 FPGA 的工作原理及特性;3.简要分析各部分的原理，完成各部分的电路图绘制；第一章 绪论44.用 Verilog HDL 语言编写可编程器件程序，实行相关的算法功能；5.简要了解有关软件的设计及系统的调试。1.4 论文安排本设计着重点研究了基于相关 FPGA 硬件平台设计的实现方案。本论文章节如下安排：第一章：论文绪论部分，包括课题研究背景、图像处理的国内外研究发展及现状，.整体论文的安排。第二章：分析图像处
17、理平台的需求，确定主要器件 FPGA 的选型，并介绍了核心器件 FPGA 的突出特点和功能。第三章：图像处理硬件平台的总体设计方案，各个功能模块的具体实现。FPGA、DSP 的配置电路设计、电源电路及一些重要的外围电路的设计。第四章：简要介绍有关软件的设计及系统的调试，中值滤波算法。结束语：对全文进行总结，陈述图像处理以后的展望。第二章 图像处理系统硬件选择5第二章 图像处理系统硬件选择2.1 FPGA 设计概述数 字 集 成 电 路 ， 由 较 早 的 电 子 管 、 晶 体 管 发 展 到 小 规 模 集 成 电 路 ， 再 到大 规 模 以 及 超 大 规 模 集 成 电 路 。 发 展
18、 到 现 在 主 要 有 三 类 电 子 器 件 ： 存 储 器 。处 理 器 和 逻 辑 器 件 。2.1.1 FPGA 的发展及特点可编程逻辑器件中在 70 年代初期主要是用来解决各种类型的存储问题，后来渐渐地转为各种逻辑应用，主要经历了以下三个阶段的发展：1.早期的可编程逻辑器件，比如可编程只读存储器、紫外线可擦除只读存储器、电可擦除只读器等，这些逻辑器件只能完成比较简单的逻辑功能，主要用来解决器件的存储问题；2.简 单 可 编 程 逻 辑 器 件 （ PLD） ,如 PAL， GAL,PLA， 这 些 器 件 结 构简 单 ， 设 计 也 很 灵 活 ， 对 软 件 的 要 求 也 很
19、 低 ， 不 过 正 是 它 的 结 构 过 于 简 单 ，所 以 只 适 合 实 现 电 路 较 小 的 系 统 ；3.复 杂 的 CPLD 与 FPGA。 其 中 FPGA 与 门 阵 列 相 仿 ， 它 们 的 体 系 结构 虽 然 非 常 简 单 ， 但 是 芯 片 集 成 度 很 高 、 逻 辑 设 计 单 元 灵 活 、 适 用 的 范 围 也很 广 范 ， 弥 补 了 早 期 PLD 在 集 成 度 和 性 能 方 面 的 缺 陷 。FPGA 内 有 8 组 I/O 组 ， 每 组 都 能 够 支 持 多 种 I/O 端 口 信 号 标 准 ， 如LVTTL、 LVCMOS2、
20、PCI/GTL、 HSTL、 ClassI/II/III、 AGP、 SSTL2、 SSTL3 等 。 为 用 户 提 供 了 理 想 的 连 接 接 口 。 Xilinx FPGA 除 了 提 供 数 字时 钟 管 理 外 ， 还 提 供 能 够 提 供 精 确 的 始 终 综 合 的 相 位 环 路 锁 定 ， 而 且 相 位 环路 锁 定 能 够 降 低 抖 动 、 实 现 过 滤 功 能 。 FPGA 最 具 有 优 势 的 特 点 如 下 ：1.设 计 电 路 时 ， 并 不 需 要 投 片 大 规 模 生 产 ， 根 据 用 户 所 编 写 的 程 序 实 现特 定 的 功 能 。2.FPGA 是 半 定 制 的 集 成 电 路 ， 可 以 做 ASIC 电 路 的 试 样 片 。
