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基于FPGA的实时图像处理系统的设计与实现

作　者: 刘开健
导　师: 吴光敏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: 机器视觉 FPGA VHDL System Generator 快速中值滤波边缘检测流水线并行处理 Anaconda-CL 上位机下位机
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

机器视觉处理系统以其非接触、抗干扰性强、实时性、灵活性和精确性等特点,被广泛应用于目标识别与跟踪、工业检测等领域。本文为了解决目前检测设备和系统存在的不足,利用现有成熟的技术构建了新型的视觉检测系统,有着显著的研究和实用意义,以及极大的应用前景。本文分析了适合视觉检测的图像处理算法对系统实时性能的影响,为了解决处理的实时性问题,提出了并行处理的方法,采用可并行处理器件进行图像检测处理。由于信号运算与处理单元是整个系统的核心部分,运算量非常大,传统方法不能满足真正实时要求,本文通过对现场可编程逻辑阵列(FPGA)器件的结构和工作方式的分析,利用FPGA进行信号的运算和处理,得出FPGA在实时性要求较高的处理场合具有速度和资源优势。利用先进的FPGA开发工具System Generator对图像处理算法进行了系统级建模和仿真验证,自动生成适合硬件实现要求的文件,省去了繁重的编写VHDL (Verilog)代码和修改过程,提高了开发效率,缩短了开发周期。根据开发环境和图像处理板卡系统的功能特点,将功能实现进行了合理的软硬件划分,完成了上位机与下位机之间的实时通信和处理。针对系统的核心(图像预处理)部分,在FPGA设计中,实现了预处理的快速中值滤波和边缘检测的硬件电路,将流水线处理技术和并行处理等技术应用到电路设计中,提高了处理速度,节省了硬件资源。最后,设计了简单的上位机控制软件,对设计的预处理电路进行了实验验证,并且实现了上、下位机联合调试,结果表明,基于FPGA的图像处理硬件算法实现电路能够满足系统功能和速度上的要求,达到了预期的效果,具有较好的实用参考价值。本文对FPGA的高性能开发工具System Generator实现高速数字信号处理的快速设计作了探索和尝试,对今后完成以FPGA为核心的快速实时信号处理的设计与开发有着积极的意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-10
第一章绪论  10-23
  1.1 引言  10
  1.2 课题的来源及研究意义  10-13
    1.2.1 课题的来源  10-12
    1.2.2 课题研究的意义  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-19
    1.3.1 机器视觉检测的特点和研究现状  13-16
    1.3.2 利用FPGA进行图像处理及IP核研究现状  16-18
    1.3.3 基于FPGA的机器视觉技术的发展前景  18-19
  1.4 课题研究内容和论文结构  19-23
    1.4.1 课题研究的内容  19-21
    1.4.2 论文结构  21-23
第二章系统开发流程及基础理论  23-38
  2.1 基于Anaconda卡的机器视觉系统开发流程  23-24
  2.2 Anaconda-CL卡基本情况  24-27
    2.2.1 Anaconda-CL卡的特点  25-27
    2.2.2 Anaconda-CL开发工具  27
  2.3 FPGA技术  27-36
    2.3.1 FPGA的结构与特点  28-31
    2.3.2 FPGA开发流程  31
    2.3.3 FPGA基本开发工具  31-36
  2.4 本章小结  36-38
第三章图像处理算法及其硬件实现分析  38-51
  3.1 视觉图像处理系统中的图像处理算法  38
  3.2 图像边缘检测算法  38-43
    3.2.1 图像边缘的定义  38-40
    3.2.2 基于一阶微分的边缘检测算子  40-42
    3.2.3 基于二阶微分的边缘检测算子  42-43
  3.3 图像边缘检测的预处理算法  43-46
    3.3.1 RGB图像转换为灰度图  43-44
    3.3.2 空域图像平滑算法  44-46
  3.4 图像处理算法的Matlab仿真  46-47
    3.4.1 边缘检测算法的Matlab仿真  46-47
    3.4.2 RGB图像转换为灰度图的Matlab仿真  47
    3.4.3 中值滤波的Matlab仿真  47
  3.5 硬件实现分析  47-50
    3.5.1 卷积运算的硬件实现  47-48
    3.5.2 图像边缘检测算法的硬件实现分析  48-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章基于System Generator的硬件电路设计与实现  51-74
  4.1 System Generator开发流程  51-58
    4.1.1 System Generator开发步骤  51-53
    4.1.2 System Generator开发规则  53-56
    4.1.3 开发流程  56-58
  4.2 边缘检测模块的System Generator设计与实现  58-65
    4.2.1 System Generator中图像边缘检测算法的建模  59-60
    4.2.2 两种图像边缘检测算法的建模结构比较  60-61
    4.2.3 线缓冲模块的设计  61-62
    4.2.4 阀值比较模块  62-63
    4.2.5 资源估算比较  63-65
  4.3 边缘检测算法System Generator仿真  65-68
  4.4 其它功能块的System Generator设计与实现  68-73
    4.4.1 图像空间转换模块设计  68-69
    4.4.2 中值滤波器电路设计  69-73
  4.5 本章小结  73-74
第五章 Anaconda卡的Firmware设计与实现  74-102
  5.1 概述  74
  5.2 FPGA接口设计  74-78
    5.2.1 PBI接口设计  75-76
    5.2.2 Xscale接口设计  76-78
  5.3 FPGA功能设计  78-82
    5.3.1 FIFO电路的实现  78-79
    5.3.2 图像处理模块电路仿真  79-82
  5.4 FPGA的Firmware设计  82-89
    5.4.1 FPGA与上位PC机通信协议  82-83
    5.4.2 FPGA中寄存器设计  83-86
    5.4.3 数据转换  86-89
  5.5 上位机程序设计  89-96
    5.5.1 上位机读写FPGA寄存器  90-91
    5.5.2 Firmware文件下载  91-93
    5.5.3 图像的获取  93-95
    5.5.4 FPGA数据的获取  95-96
  5.6 系统模拟调试  96-99
    5.6.1 软件注册  97
    5.6.2 调试窗口  97-98
    5.6.3 下载Firmware文件  98
    5.6.4 寄存器设置情况  98
    5.6.5 获取及实时处理结果显示  98-99
  5.7 性能分析  99-100
  5.8 本章小结  100-102
第六章总结与展望  102-105
  6.1 总结  102-103
  6.2 展望  103-105
致谢  105-106
参考文献  106-109
附录Ⅰ(攻读学位其间发表论文目录)  109

基于FPGA的实时图像处理系统的设计与实现

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