基于FPGA的數(shù)字圖像處理

1、蘇州科技學院蘇州科技學院基于基于FPGA的數(shù)字圖像處理基本算法研究與實現(xiàn)的數(shù)字圖像處理基本算法研究與實現(xiàn) Good Luck!Good Luck! 設計者：張志明設計者：張志明 2015.12.11CONTENTS工作總結(jié)和未來還需要做的工作4課題的來源及研究的目的和意義1國內(nèi)外該方向的研究現(xiàn)狀及分析2本課題研究的內(nèi)容3課題的來源及研究的目的和意義l隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)被廣泛應用于各種軍用、民用、商用及工業(yè)生產(chǎn)領域中。圖像處理技術(shù)的日益普及是和圖像處理系統(tǒng)的不斷完善分不開的。l圖像處理系統(tǒng)一般包括兩個部分：圖像采集部分和圖像處理部分。圖像采集部分由專用的視頻處理器、圖

2、像緩存和控制接口電路組成。它的主要作用是將實時視覺傳感器獲取的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，并將這些數(shù)字圖像信號傳送給計算機或者專用的圖像處理器件進行處理。l圖像處理部分可以是計算機，也可以是專用圖像處理器件，或者是兩者的結(jié)合。專用的圖像處理器件主要有專用集成芯片、數(shù)字信號處理器 和現(xiàn)場可編程門陣列以及相關(guān)電路組成。它們可以實時高速完成各種圖像處理算法。l近年來，微電子技術(shù)和超大規(guī)模的集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，特別現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 的發(fā)展，為提高圖像處理系統(tǒng)各種性能提供了新的思路和方法。由于底層圖像處理的數(shù)據(jù)量很大，要求處理速度快，但運算結(jié)果相對比較簡單，以 FPGA 作為主要處理芯

3、片的圖像處理系統(tǒng)非常適合于對圖像進行處理。課題的來源及研究的目的和意義 一般地，圖像處理大致可以分為低級處理和高級處理： 低級處理的數(shù)據(jù)量大，算法簡單，存在著較大的并行性；高級處理的算法復雜，數(shù)據(jù)量小。在圖像處理的實現(xiàn)手段上，圖像低級處理階段，利用軟件來實現(xiàn)是一個很耗時的過程，但是利用硬件實現(xiàn)，就可以對大量數(shù)據(jù)進行并行處理，能夠極大的提高處理速度；而圖像高級處理階段，利用軟件來實現(xiàn)則具有較高的性價比。因此，圖像處理系統(tǒng)中可以利用高速硬件模塊(如 FPGA)承擔圖像低級處理任務。這樣對大量圖像數(shù)據(jù)進行了低級處理，使系統(tǒng)在減少數(shù)據(jù)傳輸量的同時還極大的提高了實時性能。為什么選擇FPGA作為處理平臺圖

4、像處理的實現(xiàn)方法主要有以下幾種：圖像處理的實現(xiàn)方法主要有以下幾種：1.通用計算機2.專用集成電路（ASIC）3.數(shù)字信號處理器（DSP）4.現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）國內(nèi)外該方向的研究現(xiàn)狀及分析圖像處理分為三個階段：n第一階段大體上是 20 世紀 60 年代末到 80 年代中期，當時的代表產(chǎn)品是美國和英國的一些公司推出的各種圖像計算機以及圖像分析系統(tǒng)。由于這些系統(tǒng)采用機箱式結(jié)構(gòu)，所以系統(tǒng)的體積比較大，雖然功能比較強，但價格比較昂貴。在中國，圖像處理系統(tǒng)的研制起步比較晚，主要有清華大學研制的圖像采集系統(tǒng)和圖像計算機。n第二階段是從 80 年代中期到 90 年代初期，該階段的特點是小型化，外部結(jié)

5、構(gòu)不再是機箱式而是插卡式。通過把圖像卡插到計算機內(nèi)，即可和計算機構(gòu)成圖像采集系統(tǒng)。在國內(nèi)，80 年代末到 90 年代初，中科院自動化研究所和清華大學都成功研制了一系列的圖像采集卡。由于圖像卡體積小、價格低、使用方便，所以很受用戶歡迎。這階段的圖像卡大都開始采用大規(guī)模集成電路甚或是專用集成電路。n第三階段是從 90 年代初開始，這階段的產(chǎn)品出現(xiàn)兩大類，一種仍是采用插卡式，隨著 PCI 總線技術(shù)的成熟，采用 PCI 總線的產(chǎn)品逐步取代采用 ISA 總線接口的產(chǎn)品。在國內(nèi)，很多公司等都推出各自的 PCI 圖像卡產(chǎn)品。該類產(chǎn)品的特點是：采用 PCI 總線，在 Windows平臺上編制圖像處理軟件。另一

6、種圖像卡是采用大規(guī)模集成電路或?qū)Ｓ眯酒〈嬎銠C的脫機圖像處理系統(tǒng)。隨著專用集成芯片(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片集成度、運算速度的大幅度提高，價格大幅度降低，這些芯片成為脫機圖像系統(tǒng)的主流處理器。美國 TI 公司在 DSP 市場上的主導地位使得 TI 公司的圖像處理平臺在世界上處于領先地位。國內(nèi)的 DSP 技術(shù)起步較晚，但發(fā)展很快。90 年代末就有比較成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)4。由于 PCI 總線的諸多優(yōu)點，在沒有特殊限制的場合，采用計算機+PCI 接口圖像采集卡仍將是圖像處理系統(tǒng)的主流配置?；诨贔PGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)1.FPGA 的設計

7、方法與流程基于基于FPGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)圖像處理的方法 通常情況下，當圖像被系統(tǒng)采集到時，系統(tǒng)獲取的圖像由于經(jīng)過傳輸和隨機干擾，使圖像質(zhì)量下降。為了穩(wěn)定地進行特征抽取，提高精度等必須消除噪聲。同時為了取出圖像的幾何學各種特征，便于圖像識別，提高識別的速度，必須進行圖像的濾波和邊緣檢測等圖像處理方法。 圖像增強有很多方法，本文采用的是：頻域處理基于基于FPGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)中值濾波算法標準的中值濾波器都是由一個奇數(shù)大小尺寸的滑動窗組成，通常為 3x3 窗或 5x5 窗等。以 3x3 窗為例，該窗沿著圖像數(shù)據(jù)的行方向逐像素滑動，在每一次滑動期間內(nèi)，方形窗中的所有

8、像素按照灰度值被排序，這組數(shù)據(jù)中的中值作為輸出，替代原來窗函數(shù)的中心位置像素的會度值?；诨贔PGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)圖像邊緣檢測算法的步驟(1)分別將 4 個方向模板沿著圖像從一個像素移動到另一個像素，并將像素的中心與圖像中的某個像素位置重合；(2)將模板內(nèi)的系數(shù)與其圖像上相對應的像素值相乘；(3)將所有相乘的值相加；(4)將 4 個卷積的最大值，賦給圖像中對應模板中心位置的像素, 作為該像素新的灰度值；(5)選取合適的閾值 TH_hold，若新像素灰度值THold，則判讀該像素點為圖像邊緣點?；诨贔PGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)采用 FPGA 實現(xiàn)圖像處理的硬件

9、電路主要包括 3x3 方形窗生成模塊和圖像處理算法模塊基于基于FPGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)中值濾波算法模法實現(xiàn)的步驟：1.先將 3x3 窗中的 9 個像素分為 3 組，分別對 3 個組中的 3 個像素灰度值進行兩兩比較后得到這 3 個像素的大小排序關(guān)系2.再將這 3 組像素中的最小值進行比較，取最大值，對3 組像素的 3 個中值排序后取中值，對 3 組像素的最大值進行比較排序后取最小值3.最后對上面得到的 3 個值進行兩兩排序比較得到的值即為中值 median基于基于FPGA的圖像處理的實現(xiàn)的圖像處理的實現(xiàn)邊緣檢測示意圖將經(jīng)過中值濾波后的視頻圖像數(shù)據(jù)流通過通過 FIFO 緩存和 3

10、x3 方形窗處理后即可得到并行的 9 個要處理像素，其中 FIFO 模塊和 3x3 方形窗模塊可以復用前面的模塊。然后將得到得圖像數(shù)據(jù)送入 4 個濾波器進行濾波，分別產(chǎn)生 4 個方向的梯度值，通過對 4 個梯度值及閾值進行比較，最后輸出邊緣檢測后的視頻圖像數(shù)據(jù)流。其流程圖如圖 。 總結(jié)和展望總結(jié)和展望總結(jié) 中值濾波，邊緣檢測等底層的視頻圖像信號算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理的速度要求高，但是運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，我們使用 FPGA 進行硬件實現(xiàn)。本文結(jié)合視頻圖像處理系統(tǒng)的特點和 FPGA 應用技術(shù)，根據(jù)視頻圖像處理系統(tǒng)的要求，主要就數(shù)字視頻圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)過程進行了論述，設計并實現(xiàn)了基于 FPGA 的圖像處理系統(tǒng)。展望展望本文只對常用的圖像處理算法進行研究實現(xiàn)，有待挖掘和改善更優(yōu)越的圖像處理算法，以便更好的提高系統(tǒng)的性能實現(xiàn)系統(tǒng)過程中并沒有太多考慮邏輯