基于FPGA+ DSP的實(shí)時(shí)圖像處理系統設計與實(shí)現

摘 要: 針對圖像處理系統計算量大、實(shí)時(shí)性高和體積小的要求， 研制了一種以DSP為主處理器FPGA 為輔處理器的高性能實(shí)時(shí)圖像處理系統。利用這兩種芯片的各自特點(diǎn)， 將算法分成兩部分分別交由FPGA 和DSP處理， 大大提高了算法的效率。系統具有結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現和運用方便靈活的特點(diǎn)， 加載上相應的程序之后能實(shí)現對所獲取的圖像跟蹤、識別和匹配等處理方法。詳細說(shuō)明了系統的設計思路和硬件結構， 并在硬件系統上進(jìn)行了算法仿真及實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果表明: 該系統實(shí)時(shí)性高， 適應性好， 能夠滿(mǎn)足設計要求。

1 引 言

圖像處理系統的處理算法復雜， 計算量大， 處理實(shí)時(shí)性要求高， 同時(shí)系統的體積也有嚴格的限制。

因此在設計系統時(shí)必須綜合考慮這些特點(diǎn)， 合理選用芯片并保留一定的余度。通常的方法是以FPGA和DSP作為系統的處理器， 即由FPGA 承擔圖像預處理功能， DSP實(shí)現更復雜的圖像處理算法。在這樣一種結構之上如何擴展系統的應用， 增加其靈活性并減少因前期設計不當造成的風(fēng)險是設計前需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

2 系統結構設計

實(shí)時(shí)圖像處理系統除了FPGA和DSP這兩個(gè)核心部分之外， 還應該有圖像獲取模塊、圖像輸出模塊以及相應的存儲部分及通信控制電路等組成。各個(gè)主要模塊的功能如下:

圖像獲取模塊: 將成像儀輸入的圖像進(jìn)行分離、放大， 并在FPGA 的控制下完成A /D 采樣， 將模擬信號轉換為數字信號， 并將數字信號輸入FPGA 模塊。

FPGA 模塊: 該模塊的主要功能是: 1產(chǎn)生系統所需要的邏輯控制信號，2為各芯片提供時(shí)鐘信號，3對輸入圖像進(jìn)行預處理。

DSP模塊: 對預處理后的圖像進(jìn)行目標檢測、識別與跟蹤等復雜的圖像處理運算。DSP模塊是整個(gè)系統的核心模塊。

圖像輸出模塊: 對處理后的數字圖像進(jìn)行D /A轉換， 并疊加同步信號后形成標準的視頻， 實(shí)現對處理結果的顯示。

實(shí)時(shí)圖像處理系統結構如圖1所示。


圖1 實(shí)時(shí)圖像處理系統結構框圖

3 系統的具體實(shí)現方案

明確了系統的基本組成模塊之后需要做的工作是: 在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像處理算法各種要求的條件下如何將這幾個(gè)部分組合起來(lái)， 使得系統易于實(shí)現， 并具有較高的可靠性。同時(shí)還要對各模塊仔細分析加以改進(jìn)以擴展系統的應用范圍。以下是各模塊的具體組成。

3. 1 圖像獲取模塊

為擴展系統應用， 該模塊有兩路視頻輸入通道，可以根據實(shí)際的需要決定是一路還是兩路視頻輸入。當將系統用于雙目成像系統時(shí)由于雙目視覺(jué)要求兩個(gè)成像儀同步， 所以在第一路視頻通道中經(jīng)EL4501分離出的復合同步信號接到第二路成像儀的同步輸入口， 以實(shí)現兩個(gè)成像儀的同步。因為成像儀輸出為模擬視頻信號， 所以分離之后的視頻信號須經(jīng)A /D轉換才能進(jìn)入到FPGA中。A /D采樣過(guò)程由FPGA 控制， 由第二路視頻通道分離出來(lái)的場(chǎng)同步、行同步和奇偶幀指示信號直接進(jìn)入到FPGA，FPGA 將同步信號和奇偶幀指示信號作為中斷來(lái)控制采樣的開(kāi)始和停止。同時(shí)為防止系統其它電路對圖像獲取模塊的干擾， 在信號進(jìn)入到FPGA 之前應該加上隔離芯片對信號進(jìn)行隔離。