基于FPGA的数字图像处理算法研究及实现

摘要

随着计算机技术和互联网的发展，数字图像处理技术已经渗透到各个科技领域，在现代社会生活中人类已经离不开图像处理。目前数字图像处理技术大多采用早期的专用处理芯片，其处理速度和性能越来越难以满足人们的发展需求。基于FPGA的数字系统在处理数据时具有很强的实时性，并且本身拥有强大的逻辑资源，因此在数字系统设计中具有显著的优势。
　　本文结合FPGA的并行特性以及流水线操作，选择Altera公司的Stratix IVGX系列芯片DE4作为整个图像处理系统硬件平台。首先介绍了整个实时图像采集和显示系统的硬件构架设计，主要包括摄像头接口的配置、摄像头时序控制、数据采集、格式转换、存储器控制，DVI视频信号的合成，以及灰度显示，另外分析了DDR2 SDRAM的工作原理以及FIFO存储器设计。其次，分析和研究了常用图像预处理算法的实现原理。去除噪声方面，在介绍了传统中值滤波算法冒泡法和一般快速中值滤波算法的实现原理基础上，提出开关快速中值滤波算法。图像锐化方面，介绍了最常用的锐化处理算法-微分法，在此基础上提出拉普拉斯锐化算法，介绍了模板中心为5的拉普拉斯算法硬件实现。最后，将预处理算法模块嵌入到整个实时显示系统中，完成调试。
　　本课题在有关FPGA的实时图像处理领域做了一些探索性工作，对该领域的研究具有积极参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 数字图像处理发展概述

1．3 基于FPGA的数字图像处理技术国内外研究现状

1．4 本文的研究内容及章节安排

第二章 FPGA概述

2．1 FPGA发展历程

2．2 硬件描述语言

2．2．1 硬件描述语言简洁

2．2．2 Verilog HDL和VHDL语言简介

2．3 FPGA开发环境及设计流程

2．3．1 FPGA的软件平台

2．3．2 FPGA的硬件平台

2．3．3 FPGA设计流程

2．4 本章小结

第三章 实时图像采集和显示系统硬件设计

3．1 系统整体设计

3．2 图像采集模块

3．2．1 摄像头硬件配置

3．2．2 图像采集模块硬件实现

3．3 图像格式转换

3．4 存储模块的设计

3．4．1 行缓存模块设计

3．4．2 DDR2 SDRAM控制模块设计

3．5 图像显示

3．5．1 DVI图像显示接口简介

3．5．2 DVI接口工作原理

3．6 图像灰度处理

3．7 本章小结

第四章 图像平滑算法的硬件设计

4．1 中值滤波算法分析

4．1．1 中值滤波算法原理

4．1．2 传统中值滤波算法

4．1．3 开关快速中值滤波

4．2 算法可行性分析

4．3 开关快速中值滤波算法的FPGA实现

4．3．1 FIFO存储器设计

4．3．2 3*3模板生成模块

4．3．3 开关中值滤波算法模块

4．3．4 FPGA开关快速中值滤波整体构架

4．4 本章小结

第五章 图像锐化算法的硬件设计

5．1 微分法原理分析

5．1．1 梯度锐化法

5．1．2 拉普拉斯算子(Laplacian)法

5．2 算法可行性分析

5．3 拉普拉斯锐化算法的FPGA实现

5．3．1 拉普拉斯锐化模块

5．3．2 FPGA拉普拉斯锐化整体设计

5．4 本章小结

第六章 调试与结果分析

6．1 系统整体调试及程序下载

6．2 结果分析

6．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况