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基于FPGA的视频信号采集与处理系统 (2).docx
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摘 要
图像是人类获取和交换信息的主要来源。现如今,图像处理的应用领
域已经涉及到人类生活和工作的方方面面,如航天和航空技术、工业和工
程、军事公安、生物医学工程等等。在图像处理系统中,实时图像的采集
是整个系统的前端部分,也是整个系统最重要的部分。前端的图像采集速
度及质量,直接影响到图像处理系统后端的算法处理及应用。
本文主要设计图像处理系统的前端部分,即视频信号的采集。
本文设计中采用 CMOS 图像传感器 OV7670 对外界图像进行实时采
集,通过 FPGA 内部设计的初始化模块对图像传感器输出信号的格式进行
配置。根据其输出信号的时序,在 FPGA 内部设计采集单元。采集到的数
据一路送到 TFT 液晶屏上进行实时显示,另一路送入 SRAM 缓存。当一
帧图像存储完成后,在 NIOS II 软核中对图像进行处理,并将处理结果以
图片的方式,存储到外部存储器 SD 卡中。
关键字:FPGA; 实时图像; CMOS; 图像采集
I
Abstract
The image is human access and exchanges the primary source of
information. Nowadays, Image processing applications have involved human
life and all aspects of the work, such as aerospace and aviation technology,
industry and engineering, military police, biomedical engineering and so on. In
the image processing system, Real-time image collection is the head part of the
whole system, is also the most important part of the whole system. Part of the
image acquisition speed and quality, directly affect the image processing
system and the algorithm after processing and the application.
This paper mainly designs image processing system, namely the head part
of video signal collection.
This paper applied to the design of CMOS image sensor to the outside
world OV7670 real-time image acquisition. Through the FPGA design inside
the initialization of the module of image sensor output signal format
configuration. According to its output signal timing, In the FPGA design inside
acquisition cell. The data collected one way to TFT LCD screen on the
real-time display, and the other way into an SRAM cache, when a frame image
storage completed, processing the image in the NIOS II MCU. And the result
of processing, storage to external storage SD card.
Key words :FPGA; Real-time image; CMOS; Image acquisition
II
目 录
1 前 言 ......................................................................................................................1
1.1 数字图像处理发展史 .....................................................................................1
1.2 系统整体设计 .................................................................................................3
2 CMOS 原理和特性及 CMOS 摄像头的基本结构................................................4
2.1 CMOS 原理及特性 ..........................................................................................4
2.1.1 CMOS 数字图像传感器基本原理 ...........................................................4
2.1.2 CMOS 图像传感器的特性 .......................................................................5
2.2 COMS 传感器的基本结构 ..............................................................................6
2.2.1 OV7670 简介.............................................................................................6
2.2.2 OV7670 内部结构.....................................................................................8
3 系统设计及硬件实现 ..........................................................................................12
3.1 系统结构及工作流程 ...................................................................................12
3.1.1 系统结构 .................................................................................................12
3.1.2 系统工作流程 .........................................................................................12
3.2 器件选型及硬件电路实现 ............................................................................12
3.2.1 FPGA 选型 ..............................................................................................12
3.2.2 FPGA 配置电路 ......................................................................................13
3.2.3 SDRAM 电路实现 ..................................................................................15
3.2.4 SRAM 电路实现 .....................................................................................17
3.2.5 其他硬件电路 .........................................................................................18
4 系统软件设计 ......................................................................................................19
4.1 软件设计概述 ...............................................................................................19
4.2 VHDL 简介及特点 ........................................................................................20
4.3 OV7670 初始化模块......................................................................................21
4.4 OV7670 数据采集模块..................................................................................23
4.5 SRAM 控制模块和 TFT 液晶控制模块.......................................................25
4.6 MCU 单元设计 ..............................................................................................26
III
4.6.1 SOPC Builder 简介 .................................................................................26
4.6.2 主控制单元 MCU 的实现 ......................................................................28
4.7 NIOS II 软件开发 ..........................................................................................29
4.7.1 NIOS II 集成开发环境 ...........................................................................29
4.7.2 MCU 软件设计 .......................................................................................30
4.7.3 简单运动检测 .........................................................................................31
4.7.4 BMP 图片存储........................................................................................32
5 总结与展望 ..........................................................................................................34
参考文献 ..................................................................................................................35
附录 1 ......................................................................................................................36
附录 2 ......................................................................................................................43
致谢 ..........................................................................................................................44
IV
1 前 言
1.1 数字图像处理发展史
数字图像处理技术起源于 20 世纪 20 年代,当时通过海底电缆从英国
伦敦到美国纽约传输了一幅照片,它采用了数字压缩技术。就 1920 年的
技术水平看,如果不压缩,传一幅图片要一个星期时间,压缩后只需要 3
小时。1964 年美国的喷气推进实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的
月球照片,这标志着第三代计算机问世后数字图像处理概念开始得到应
用。其后,数字图像处理技术得到迅速发展,目前已成为工程学、计算机
科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等
领域各学科之间学习和研究的对象。从 70 年代中期开始,随着计算机技
术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层
次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像,实现类似人类视觉
系统理解外部世界。如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济效益和
社会效益。
而在图像处理系统中,图像采集是图像处理最重要的前提。前端的图
像采集速度及质量,直接影响到图像处理系统后端的算法处理及应用。图
像采集卡是常用的图像输入设备,通常占用 PC 机总线的一个插槽。它主
要包括图像存储器单元、CCD 或 CMOS 摄像头接口、PC 机总线接口等。
传统的图像采集卡大多数采用 PCI 接口,这种图像采集卡适用于将模拟信
号经 A/D 转换器转换成数字信号,或本身就是数字信号,再通过 PCI 接口
传输至 PC 机,进行图像处理。但使用嵌入式系统实现图像采集和处理时,
带有 PCI 接口的图像采集卡就不适用。
另外在图像处理的实时性方面,一般的所用的 PC 软件或 MCU 软件
方法已不能满足要求,究其原因就是因为其本质是顺序执行指令,不能做
开并行处理。而一般采集的图像数据量较大,运算量也相应比较大。另一
方面,现今的图像处理应用也向嵌入式小型化方向发展。因此,现场可编
程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)以其较高的并行处理
1
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