基于嵌入式高速图像处理系统的道路循迹算法应用研究

摘要

近年来，随着数字图像处理技术的进一步发展，嵌入式图像采集处理系统被研究者广泛关注。目前，较多的图像采集处理系统的硬件处理器构架被提出。其中，基于DSP(Digital Signal Processor)和FPGA（Field Programmable GateArray）的嵌入式图像采集处理系统已成为国内外发展的主流。为了满足人们对图像采集处理系统便携性与实时性的要求，一味地提升硬件处理器性能只会带来高昂的成本，所以在硬件条件固定的情况下，影响整个系统性能的关键因素就是数据的传输和存储了。一个好的系统软件构架往往能大幅提高系统运行速度。另外，道路循迹算法在人工智能尤其是无人驾驶智能车方面具有很高的应用价值和发展前景。
　　 本课题围绕道路循迹算法，以DSP和FPGA的图像采集处理系统为硬件处理平台。在此基础上，研究设计了系统的软件构架，重点在于数据采集传输和数据存储方案。针对道路宽度为0.5m，道路两边为3cm的红色边界的道路进行道路循迹算法的应用研究，仿真优化并实现算法。本论文具体取得了以下研究成果:
　　 (1)在以DSP和FPGA为道路循迹图像处理算法硬件平台的基础上，设计了相应的数据传输和存储方案。通过研究分析目前国内外对嵌入式图像采集处理系统的硬件和软件设计方法，利用FPGA的SOPC(System On ProgrammableChip) Builder定制NiosⅡ软核处理器及相关外设IP（Intellectual Property）核来构成一个完整的片上系统，结合NiosⅡ软件开发工具完成锁相环模块的设计、CMOS驱动模块和配置模块的设计、液晶显示屏的驱动和控制模块设计、存储模块的配置等。最终实现图像信号的实时采集与存储。DSP部分，设计数据的采集输入、数据传输、数据处理的底层驱动和控制代码。包括外部存储器接口EMIF（Extemal Memory Interface）模块设计、增强的直接存储器访问EDMA（Enhanced Direct Memory Access）模块设计、多通道缓冲串行口McBSP(Multichannel Buffered Serial Port)模块设计。
　　 (2)仿真并实现了道路循迹算法。针对道路宽度为0.5m，道路两边为3cm的红色边界道路，通过道路红线提取、去噪补线、中线提取等步骤，进行道路循迹算法的应用研究，仿真优化并实现算法。同时也实现了因道路信息采集不全而导致的单边界情况下的道路循迹。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外研究和发展现状

1．2．1 嵌入式图像采集处理硬件系统

1．2．2 数据传输软件构架

1．2．3 道路循迹算法

1．3 研究目的和意义

1．4 课题研究内容及章节安排

第2章 道路循迹图像处理系统的开发环境

2．1 摄像头采集系统

2．1．1 镜头处理

2．1．2 CMOS图像传感器OV7670

2．1．3 图像输出格式

2．2 FPGA系统

2．2．1 EP3C25Q240C8

2．2．2 SOPC系统

2．2．3 QuartusⅡ和NiosⅡ开发平台

2．3 DSP系统

2．3．1 TMS320C6713

2．3．2 CCS2．0开发平台

2．4 LCD显示系统

第3章 道路循迹图像处理系统的软件构架设计

3．1 FPGA部分软件构架设计

3．1．1 PLL时钟的配置

3．1．2 基于NiosⅡ的SOPC系统设计

3．1．3 CMOS的配置

3．1．4 内嵌RAM的配置

3．1．5 LCD控制器

3．2 DSP部分底层软件驱动设计

3．2．1 EMIF驱动程序设计

3．2．2 EDMA驱动程序设计

3．2．3 McBSP驱动程序设计

3．2．4 CMD和ASM文件设计

3．3 系统整体测试

第4章 道路循迹算法的应用研究

4．1 算法应用背景

4．2 道路红线提取

4．3 道路去噪补线

4．4 道路中线提取

4．5 算法仿真结果

第5章 总结和展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文