基于FPGA和MB86S02的數字圖像處理系統設計

0引言

圖像處理技術(shù)是信息科學(xué)中近十年來(lái)發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。目前，數字圖像處理技術(shù)巳被廣泛應用于航空航天、通信、醫學(xué)及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中。但是，如果單純使用現成的專(zhuān)用視頻圖像處理芯片，根本無(wú)法設計出具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、大規模，超太規模集成電路(ASIC)以及現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的發(fā)展，它們在圖像領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，同時(shí)，圖像處理設計也正朝著(zhù)速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展，這也為圖像處理系統的設計和實(shí)現提供了新的方法和思路。

1系統功能

本系統的功能圖如圖1所示，其結構圖如圖2所示。它以?xún)惹禢ios軟核的FPGA，低級，高級為核心，并將圖像采集芯片和存儲器等外圍設備芯片嵌入到系統上，從而實(shí)現圖像的采集處理和顯示，并將處理后的數據通過(guò)調制解詞器經(jīng)由PSTN網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到接收端(監控中心)，以便在監控中心能夠使用在PC上編寫(xiě)的上位機程序將處理后的圖像顯示出來(lái)。





2圖像處理的實(shí)現

21圖像采集模塊

圖像采集模塊采用富士通公司生產(chǎn)的一款375x293(10萬(wàn))像素(即CIF恪式)的CMOS圖像傳感器MV86S02，該芯片在片內集成了色彩信號處理器。這種將CMOS圖像傳感器與色彩信號處理器集成到一個(gè)芯片內部的技術(shù)可以降低系統功耗和體積。由于MV86S02包含了圖像采集的所有前端處理功能，并可以直接輸出數字信號。因而大大方便了用戶(hù)的使用，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)工作，同時(shí)又提高了系統的性能。

FPGA通過(guò)與7MB86S02型CMOS圖像模塊的連接，來(lái)通過(guò)VHDL程序將MB86S02所采集到的數字圖像數據存儲在SRAM中，以備后續的LCD顯示和數據處理使用，然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經(jīng)存儲的圖像數據發(fā)送到PC機，最后在PC機上的接收程序的控制下來(lái)顯示接收的圖像。圖像采集模塊的時(shí)序仿真結果如圖3所示。



2 2圖像低端處理模塊

圖像的低級處理工作的數據量很大，因而要求速度要快．但算法相對簡(jiǎn)單。本文在FPGA中實(shí)現了低端處理的中值濾波的快速處理算法的硬件電路，中值濾波窗口內所有像素點(diǎn)的度灰值都會(huì )從小到大(或O從大到小)順序排列，并以度灰值序列的中間值來(lái)代替窗口中心像索點(diǎn)的灰度值。這就意味著(zhù)執行過(guò)程中要進(jìn)行大量的比較和賦值運算，改進(jìn)的快速濾波算法的設計思想是將二維濾波陣列分解為一維來(lái)進(jìn)行計算。即首先求出濾波窗口中水平各行像素點(diǎn)灰度值的中值，再求出這些水平各行中值的中值，并以此作為濾波結果。圖4給出了快速中值濾波的時(shí)序仿真圖。

2 3圖像的高級處理和顯示

高級的圖像處理可以參考低級處理方式來(lái)實(shí)現。但運算的數據量較小，算法相對復雜，同時(shí)還具有一定的串行性。此次如繼續用硬件實(shí)現，就要占用大量的硬件資源，因此，可以采用嵌入式的CPU來(lái)完成。由于CUu與FPGA的結構有很大的帶寬，進(jìn)行數據交換也很方便，因此，本文基于FPGA的可編程片上系統(SOPC)技術(shù)，將圖像的高級處理由NiosⅡ核CPU結合定制指令和外圍電路來(lái)實(shí)現，以提高處理速度，

而將圖像顯示叉由嵌入NiosⅡ處理器和VGA顯示控制器來(lái)完成。

3結束語(yǔ)

以?xún)惹禢ios軟核的FPGA為核心處理器，可以完成圖像的采集控制，低級，高級圖像處理以及圖像顯示的設計。由于基于FPGA的可編程片上系統(SOPC)技術(shù)和大規模高性能的FPGA豐富資源。因此，利用嵌人NiosⅡ處理器和必要的外圍電路，可使圖像處理在速度、功耗、靈活性、開(kāi)發(fā)周期和成本控制方面都得到很大的改進(jìn)。