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本科毕业设计论文——基于FPGA的图像采集模块设计
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2012-06-08
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本论文主要目的在于设计一种基于FPGA 和USB2.0 的视频图像采集及处理 平台,在此平台上可以验证各种图像处理或视频压缩算法,并通过USB2.0 实现 视频图像的PC 机采集及处理后数据传输。另外,整个平台还需兼顾处理的实时 化和高速化,以满足不同领域视频图像预处理要求。整个系统可分为四个部 分:FPGA 视频信号采集、视频图像处理算法FPGA 实现、USB2.0 视频信号传输 和视频图像显示部分。其中视频图像处理算法FPGA 实现部分可由用户根据自己 的具体需求来实现,本论文的设计重心在于提供一个基于FPGA 的视频图像处理 算法验证平台,不涉及具体算法的实现过程。
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资源评论
本科毕业设计论文
i
目 录
第一章 绪论
................................................................................................................
1
1.1 图像采集系统的应用
.........................................................................................
1
1.2 国内外研究现状
.................................................................................................
2
1.3 图像处理的实时化和高速化
.............................................................................
3
1.4 本论文的主要工作
.............................................................................................
5
第二章 系统设计方案
..................................................................................................
6
2.1 可编程逻辑器件概述
.........................................................................................
6
2.2 现有视频图像处理系统方案分析比较
.............................................................
7
2.2.1 方案一: CPLD/FPGA+USB/PCI/ISA+PC
.....................................................
7
2.2.2 方案二 :CPLD/FPGA+DSP+USB/PCI/ISA
.....................................................
8
2.3 本文采用的系统设计方案
...............................................................................
10
2.3.1 系统整体结构
...........................................................................................
10
2.3.2 系统工作原理
...........................................................................................
11
2.3.3 系统主要器件选型
...................................................................................
12
2.3.4 系统难点分析
...........................................................................................
12
第三章 FPGA 视频信号采集
.......................................................................................
13
3.1 视频信号采集流程
...........................................................................................
13
3.2 SAA7113 寄存器配置
.....................................................................................
13
3.2.1 SAA7113 简介
............................................................................................
14
3.2.2
2
IC
协议简介
............................................................................................
15
3.2.3 SAA7113 初始化配置
................................................................................
17
3.2.4 FPGA 配置实现
..........................................................................................
18
3.3 SAA7113 仿真模型设计
...................................................................................
20
3.3.1 YUV 视频流协议分析
................................................................................
20
3.3.2 模块设计
....................................................................................................
22
3.4 SAA7113 同步信号生成模块设计
...................................................................
22
3.5 采集控制模块设计
...........................................................................................
23
3.5.1 模块实现
....................................................................................................
23
3.5.2 跨时钟域处理
............................................................................................
24
3.6 SDRAM 整页突发读写控制器设计
.................................................................
25
3.6.1 SDRAM 结构及工作原理
..........................................................................
25
3.6.2 设计实现
...................................................................................................
27
3.7 SDR_SDRAM 控制器 IP 核介绍
.......................................................................
29
第四章 USB2.0 视频图像传输
....................................................................................
34
4.1 FPGA S LAVE FIFO 控制器设计
.........................................................................
34
本科毕业设计论文
ii
4.1.1 模块结构
....................................................................................................
36
4.1.2 FIFO 写控制器状态机
............................................................................
37
4.2 FX2 固件程序设计
.........................................................................................
37
4.3 驱动程序设计
..................................................................................................
39
4.4 PC 机应用程序设计
.........................................................................................
40
参考文献
......................................................................................................................
43
致谢
..............................................................................................................................
45
毕业设计小结
..............................................................................................................
46
本科毕业设计论文
1
第一章 绪论
1.1
图像采集系统的应用
随着计算机技术的发展 , 电子产品不断地更新换代 , 高速 、 高效 、 高可靠性
的产品成为研究必然 。 在视频图像处理技术领域 , 传统的脱机图像处理系统己经
满足不了市场的需求 , 在这种趋势下 , 大规模集成电路或专用芯片处理系统发展
壮大 。 目前市场上 ,
DSP
芯片不论集成度还是运算速度都有了大幅度提升 , 市场
价格也大幅降低,种种因素使得 DSP 芯片成为图像处理系统的主流趋势,而图
像采集处理系统也在这种情况下飞速发展。
实现图像处理技术的应用是多方面的 , 可以说 , 凡是在图像处理技术应用的
地方都可以应用实时图像处理技术 , 原因在于实时图像处理技术可以提高图像处
理的速度。但是,这要付出一定的代价,这种代价包括设备上和开发上的代价
。
在可用、不可用的地方,代价问题会成为考虑的重点,而在必须应用的地方 , 考
虑的重点则是实时图像处理系统的性能及可行性 。 从应用图像处理技术的紧迫性
来看 , 其应用领域主要集中在消费类产品 、 军事 、 工业自动化以及公安的形式侦
察上 , 在这些领域强有力的推动下 , 实时图像处理技术得到了迅速的发展 。 对图
像处理系统和并行图像处理技术最前沿技术得跟踪和掌握 , 及针对图像处理系统
的走势 , 无疑高速率 、 高质量的实时图像显示画面将代表着未来十几年 , 甚至几
十年的图像处理系统的发展方向 。
[1]
图像并行处理技术是图像处理中的一个重要方面 , 是提高图像处理速度的最
有效技术,其发展水平一直受到图像界的关注,原因在于
:
一方面,图像并行处
理技术的发展难度很大 , 这种难度不仅在于图像并行处理系统的硬件及系统结构
本身 , 以及它对计算机技术和集成电路等技术的依赖关系 , 而且在于实际应用的
复杂性和应用部门对系统价格的承受能力 ; 另一方面,图像并行处理技术的发展
所产生的效益也是十分显著的,它在处理速度上所获得的加速比是令人振奋的
,
其实际应用系统也将产生很大的经济效益和社会效益。
数字计算机对于图像处理技术有着划时代的意义 , 在数字化信息时代 , 传统
的模拟存储处理方式正在被数字化方式取代 。 图像采集以及处理技术也逐渐向数
字化方向转变 。 随着微电子技术的发展 , 超大规模集成电路被运用于电子设计的
各个领域 , 数字图像处理技术也有了突破性的进步 。 在现代多媒体技术中 , 实时
图像采集占有极其重要的地位 。 如今 , 图像采集系统大多采用实时图像采集技术
。
本科毕业设计论文
2
实时图像采集系统己经被广泛的应用于手机 、 PDA 、 可视电话 、 工业控制 、 机器
视觉 、 实时监控等领域 。 近十年来 , 现场可编程门阵列
FPGA(Field Programmable
Gate Array) 的飞速发展为实时图像采集设计提供了新的方向与思路。
[ 2 ]
1.2 国内外研究现状
视频图像经过数字化后其数据量相当的庞大 , 传统的图像采集处理系统已经
不能满足如此高速数据的处理要求 。 目前 , 嵌入式系统已经成为实时图像采集系
统的热门话题。嵌入式系统功能与可靠性强、软硬件结合、体积小、功耗小 、 成
本低 , 为图像采集系统的发展提供了一种新的解决方案 。 特别是以 DSP 、 FPG A
为核心处理器的图像采集研究方法 , 已经成为实时图像采集领域的趋势 。 相比较
国内,发达国家在图像采集处理系统研究领域发展较快,其产品性能好、耐用
、
可靠性强 、 使用范围广 , 但价格比较昂贵 。 国内产品价格较低 、 但不论在可靠性
、
制造工艺及精度上都有所欠缺 。 因此 , 如何改进现有图像采集处理技术具有相当
的积极意义。
[ 3 ]
在九十年代前 , 主要是以模拟设备为主的图像信息处理系统 , 称为第一代模
拟图像处理系统 。 但由于工业应用中视频监控等系统中信息流的形式以模拟视频
信号为主 , 其系统的网络结构主要是一种单功能 、 单向 、 集总方式的信息采集网
络 , 介质专用的特点 , 因此系统尽管己经发展到很高的水平 , 却无多少潜力可挖
,
其固有局限性存在,难以满足更高的要求,数字化是必由之路 [5] 。九十年代中
期 , 计算机技术和视频技术飞速发展 , 人们利用计算的的高速数据处理能力进行
视频的采集和处理 , 利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示 , 大大提高了
图像质量,这种基于
PC
机的多媒体主控台系统称为数字化视频图像处理系统
。
基 于 P C 的视频图像处理系统的组成结构为 : 兼容 + 工 控 P C 机 + 视频采集卡十普通
胶可靠的操作平台
+
应用软件。这种系统处理方式对视频图像进行了数字化,充
分利用计算机的快速处理能力,对视频图像进行压缩、分析、存储和显示。
九十年代末,随着网络带宽、计算机处理能力和储存容量的进一步提高 , 以
及各种视频图像处理技术的出现 , 图像采集处理进入全数字化时代 。 大规模集成
电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统。随着
DSP
芯片集成度和运算
速度的大幅提高及价格的大幅降低 , DSP 芯片成为脱机图像采集系统的主流处理
器。美国
TI
公司的
DSP
及其图像处理平台在世界市场上处于主导和领先地位
。
国内的 DSP 技术起步较晚,但发展较快, 90 年代末就有比较成熟的产品出现。
典型产品有
WT62OIp/RA
、
WT670lP/PA
图像处理系统和
WT32EA
通用图像处理
系统。在专用图像处理系统方面,西南物理研究所开发的机遇 DSP 的视频跟踪
警戒装置和中科院沈阳自动化研究所开发的基于
DSP
的视频跟踪装置,都取得
了很好的效果。台湾凌阳公司的图像识别芯片 SPCA563 ,用于智能交互式玩具
中,能识别颜色、形状和障碍物。
[ 4 ]
本科毕业设计论文
3
现代大容量高速度的 FPGA 以及相应可编程片上系统 SOPC 技术的出现 , 为
图像采集和处理系统提供了一种新的解决方案 。 目前 , 在图像方面已经有很多成
熟的 IP Core , 如 2D 滤波器 、 2D 快速傅里叶变换 、 颜色空间转换 、 JPEG 图像编
码器等 。 利用
FPGA
来实现
“ DSP
’’
系统己经十分普遍 , 应用在诸如实时图像处理
、
联合战术无线通信等。
使用
Altera
公司
FPGA
内嵌
SOPC
构架完成图像的采集、处理及显示功能
,
目前在国内还处于初级阶段,这种系统 SOPC 软核构架具有一定的风险性。 但
Alter a
的技术支持可以使 用
FPG A
内部的硬件资源和内部正进行外部设备的驱动
开发等 , 这样大大减少硬件设计的复杂性 。 而且 , FPGA 实现数字信号处理最显
著的特点就是高速性能好 , 以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯
硬件系统相比,因为软件是通过顺序执行的方式来完成控制和运算步骤的, 而
HDL
语言描述的系统是以并行方式工作的 。 目前 , 国内外对基于
FPGA
这种
“
虚
拟 SOC ,的需求呈上升趋势。
在
FPGA
中,一般内嵌可配置的
RAM
、
LVDS
、
PLL
及硬件乘法累加器等
模块。用 FPGA 来处理数字信号可以很好的解决数据量大、处理速度不匹配 、 可
靠性低及精度小等问题 , 并能很好协调并行性与顺序性的矛盾 。 因
FPGA
灵活的
可配置特性,使其构成的 DSP 系统易于测试与修改。如今,利用 FPGA 来实 现
DSP
系统己经发展普遍 , 以
FPGA
为代表的数字系统处理技术也有了新的发展
,
主要有:
高效性:各大现场可编程逻辑器件厂商在不断地补充其知识产权
(IP)
核心
库 。 设计人员可以直接利用这些经过测试和优化 、 可保证正确性的现成的资源来
完成复杂的片上系统设计,提高设计的准确性及高效性。
密度及功耗小 : 便携式产品的发展 , 使得产品对现场可编程器件的高密度
、
低功耗要求逐步提升。芯片正朝着高密度、低功耗方向发展。
实现片上系统:深亚微米技术的发展使得片上系统 SOPC 的实现成为可
能。
[ 5 ]
1.3
图像处理的实时化和高速化
图像处理是计算机应用领域中一个极为活跃的领域,它的发展己有 40 余年
的历史 , 在此期间 , 随着计算机 、 集成电路等技术的飞速发展 , 图像处理无论在
算法上、系统结构上,还是在应用上以及普及的程度上都取得了长足的进展 。 但
是图像处理依然面临着许多挑战性的问题 , 其中最主要的问题就是如何提高解决
实际复杂问题的综合能力 , 就当前的技术水平来说 , 这种综合能力包括图像处理
的网络化、复杂问题的求解与图像处理速度的实时化和高速化。
图像处理的速度问题主要由图像数据的特点 、 图像处理算法的复杂性以及处
理系统硬件结构和速度引起 。 为提高图像处理系统速度 , 一方面可以改变图像数
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