基于Zynq-7000的高清视频采集处理软硬件协同设计

摘要

随着科学技术的快速发展，机器视觉技术与我们的生活日渐相关，视频采集处理作为机器视觉的关键技术之一，也得到了大力发展。实际应用对视频分辨率、处理性能以及系统实时性的要求也越来越高，视频采集处理技术正朝着高清、高性能、高实时性方向发展。
　　Zynq-7000处理器融合了高性能ARM处理器与大容量FPGA，具有软硬件同时可编程特性。基于 Zynq-7000的高清视频采集处理系统采用软硬件协同设计方法，一方面可缩短开发周期，极大提升开发效率；另一方面可根据系统各部分特点，合理划分软硬件功能，获得高性能低成本解决方案。系统开发工作包括Zynq-7000可编程逻辑（Programmable Logic，PL）硬件设计和Zynq-7000处理器系统（Processing System，PS）软件设计。PL硬件设计过程中，首先设计CMOS传感器控制接口IP核，并利用Xilinx提供的图像处理IP核构建高清视频采集预处理通道；接着，以二维滤波算法为例利用Vivado HLS开发工具设计视频算法硬件加速通道，为今后更多机器视觉算法硬件加速提供参考方案；最后，移植开源HDMI显示IP核构建显示通道实现显示功能。PS软件设计时首先利用板级支持包快速开发无操作系统的应用程序，实时高效地控制硬件完成系统功能；然后通过将这套应用程序移植到嵌入式 Linux操作系统环境下，提高了该视频采集处理系统的实用性。为了优化视频性能，研究了图像传感器关键参数并进行合理配置，同时增加颜色校正模块以提高视觉效果。
　　测试表明，基于 Zynq-7000的高清视频采集处理系统通能够完成高清视频采集、处理、缓存并驱动HDMI显示器显示处理结果，达到了设计要求。

目录

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容及结构

第二章基于Zynq的软硬件协同设计

2.1开发平台

2.2软硬件协同设计方法

2.3系统功能与结构

2.4系统软硬件划分

2.5本章小结

第三章Zynq硬件逻辑设计

3.1设计开发工具

3.2系统硬件结构

3.3图像传感器接口设计

3.4视频采集预处理通道设计

3.5硬件加速通道设计

3.6 HDMI显示通道硬件设计

3.7本章小结

第四章视频采集处理系统软件设计

4.1软件功能结构

4.2软件开发环境Vivado SDK

4.3基于BSP的软件设计

4.4 Linux操作系统下的软件系统移植

4.5本章小结

第五章视频性能优化

5.1性能分析

5.2图像传感器关键参数

5.3色彩校正

5.4本章小结

第六章系统功能调试

6.1平台搭建与系统演示

6.2结果分析

6.3器件资源利用率

6.4问题与解决方法

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢