基于FPGA的图像中值滤波器设计.pdf

在当今信息技术快速发展的背景下，图像处理技术作为计算机科学中的一个重要分支，对于视频、多媒体、遥感、航空航天、监控、工业生产、机器人视觉和军事等多个领域都有着举足轻重的作用。随着图像处理应用领域的不断扩大，对图像处理速度提出了更高要求，实时处理成为了许多应用的必备条件。传统的通用处理器和软件处理方法由于其串行执行的结构，难以满足实时性的需求。而专用处理芯片虽然能够提供足够的性能，但设计周期长、成本高且难以适应快速变化的需求，因此不够灵活。 在这样的技术需求驱动下，现场可编程门阵列（FPGA）凭借其可编程性和出色的并行计算能力，成为了构建实时图像处理平台的理想选择。FPGA是一种基于逻辑块的可编程芯片，可以根据需求定制设计电路，提供硬件级别的并行处理能力，这使得其非常适合处理并行的图像处理任务。 本文讨论了基于FPGA的图像采集及处理系统的总体结构和模块设计。系统首先通过CCD摄像头采集PAL制式的标准模拟信号，然后通过A/D转换芯片将模拟信号转换为数字色差信号ITU-R BT.656。得到的视频信号经过解码，存储到DDR SDRAM进行帧缓存。随后，利用System Generator生成的处理模块对数据进行处理，并将处理后的图像显示出来。 系统中还设计了I2C总线模块。I2C总线是一种两线式串行总线，用于连接微控制器和外围设备。在FPGA中，通过一个状态机模拟I2C总线的时序，能够模拟出起始信号、数据信号和停止信号，并能接收从设备发出的应答信号。配置数据保存在ROM中，工作时经由I2C总线发送给TVP5150和SAA7121H芯片，完成对这两个芯片的配置。 此外，由于视频解码芯片输出的视频信号频率为27MHz，而FPGA内的全局时钟为50MHz，两者的时钟频率不匹配，导致视频数据流送入FPGA时存在跨时钟域问题。为解决这一问题，设计了异步FIFO模块。FIFO是一种先进先出的数据缓存器，可以在发送端和接收端时钟频率不一致的情况下，保证数据的顺利传输，有效解决了跨时钟域问题。 在图像处理模块的设计中，根据FPGA的并行计算特点，提出了一种改进的中值滤波算法。中值滤波是一种常见的图像去噪算法，能够有效地去除图像中的噪声点，同时保护图像的边缘信息。改进的算法充分考虑了FPGA的并行处理优势，通过硬件电路设计，大幅提升了系统处理图像的效率。 基于FPGA的图像中值滤波器设计不仅满足了实时图像处理的需求，还具有可编程、灵活、易于实现等优点，对于现代图像处理技术具有重要的实践价值和研究意义。随着FPGA技术的不断成熟和发展，我们有理由相信其在图像处理等领域的应用将更加广泛，为更多复杂问题的解决提供可能。