基于FPGA的图像处理系统设计方法研究

摘要

随着图像处理系统精确化、高速化和高度集成化的持续发展，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地提高图像处理的速度，基于FPGA的可重构处理器在加速图像处理应用方面也日益重要。鉴于此，论文围绕基于FPGA的图像处理系统设计方法开展了相关研究工作。
　　首先，论文针对高速图像处理系统的硬件需求，综合考虑FPGA的粒度、逻辑资源、计算资源等几方面内容，选择了高性能FPGA原型验证系统DE3作为开展图像处理系统的硬件平台。在此基础上，采用多级流水和并行处理结构，充分利用FPGA片上丰富的逻辑资源和嵌入式DSP运算资源，实现了统计排序滤波、空域模板滤波等数据量大、处理速度要求高且运算结构相对简单的图像底层处理算法的设计，验证了设计方法的有效性。其次，采用可重构计算技术，将RISC软处理器、可重构计算单元、图像输入输出控制模块、存储器控制模块等集成于FPGA中，实现了RISC软处理器和可重构计算单元的紧耦合结构，并基于此结构解决了算法控制结构复杂时，难于纯硬件实现的问题。最后，提出一种基于镜像缓存机制的自适应重配置方法，通过对不同应用状态下的配置信息缓存及自适应重配置方法的研究，满足未来图像处理应用中潜在的高速升级能力需求。
　　实际验证结果表明，基于单片粗粒度FPGA的图像处理系统设计方法，可充分支持多级流水技术和可重构计算技术的应用设计，能够满足不同层次的图像处理算法的高速运算需求及必要的升级配置能力需求。同时，单芯片的设计方法减小了系统体积，降低了开发难度，为现实应用提供了可行的设计思路。

目录

基于 FPGA 的图像处理系统设计方法研究

DESIGN OF IMAGE PROCESSING SYSTEM BASED ON FPGA

摘　　要

Abstract

Contents

第一章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 本文的研究内容与结构

第二章 图像处理系统硬件平台

2.1 FPGA主处理芯片选型

2.2 图像处理平台的硬件总体结构和固件框架

2.3 数字视频接口与存储器接口的实现

2.4 硬件在环仿真设计

2.5 本章小结

第三章 图像处理方法的FPGA实现

3.1 多级流水线和并行设计思想

3.2 中值滤波

3.3 最小值滤波和最大值滤波

3.4 Sobel滤波算法

3.5 本章小结

第四章 基于可重构计算的图像处理

4.1 基于FPGA的可重构计算

4.2 基于可重构计算的联通域分析方法

4.3 FPGA重配置实现及性能分析

4.4 本章小结

结　　论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致　　谢