強大的多功能圖像采集及處理平臺系統方案，提供軟硬件詳解

一.項目概述

1.1 項目背景

數字圖像處理自從出現以來(lái)，就一直是前沿的研究學(xué)科，經(jīng)久不衰，同時(shí)隨著(zhù)數字化時(shí)代的到來(lái)，市場(chǎng)對于數字圖像處理的需求也越來(lái)越大。因此，本項目------基于FPGA的多功能數字圖像采集及處理平臺主要是為各種需要進(jìn)行數字圖像處理的設備和應用而設計的， 例如， 醫學(xué)上的CT， X-ray等圖像增強及處理; 各種需要支持圖像優(yōu)化的數碼設備等。 同時(shí)此平臺也可用于數字圖像處理相關(guān)課程的設計參考及教學(xué)演示。

1.2 項目?jì)?yōu)勢

基于FPGA的多功能數字圖像采集及處理平臺是一個(gè)多用途，多功能的數字處理平臺， 相比于其他同類(lèi)設計，有以下優(yōu)勢：

1 采用可編程的FPGA進(jìn)行設計，便于設計的更新，減少因此帶來(lái)的升級費用;

2 本平臺采用硬件實(shí)現，相比于采用DSP的軟件實(shí)現方法，處理的速度更快;

3 各模塊之間相互獨立，便于設計的復用，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后即可用于其它項目;

二.需求分析

2.1 功能分析

根據本項目的設計目標，本設計需要完成的功能有：

(1) 可以對輸入的數字圖像進(jìn)行基本的圖像增強，圖像平滑，圖像銳化，直方圖均衡化，直方圖標準化等操作，也可以進(jìn)行頻域相關(guān)的巴特沃思濾波，高斯濾波等操作。

(2) 可以通過(guò)組合各種不同的基本圖像處理過(guò)程，完成諸如圖像邊沿檢測等高級處理。

(3) 可以輸入CMOS傳感器轉換的YCrCb格式圖像數據，并轉換為RGB格式。

(4) 可以通過(guò)USB接口提供數字圖像處理器的圖像數據進(jìn)行處理。

(5) 可以將處理過(guò)的圖像保存在Flash中，并且能夠通過(guò)VGA顯示處理過(guò)程中生成的圖像。

三.方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

本設計采用Xilinx公司的Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board開(kāi)發(fā)板，利用其上的Xilinx Spartan®-6 FPGA (XC6LX16-CS324) 的大容量邏輯資源完成各個(gè)模塊。本設計總體硬件框圖如圖一所示。從圖一中可以清楚地知道系統主要由USB設備控制單元，顏色空間轉換單元，用戶(hù)控制輸入單元，總體控制單元，雙口RAM控制單元，Flash控制單元，顯示控制單元和圖像處理單元組成。

系統的工作原理如下所述：總體控制單元根據用戶(hù)控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數據源，然后圖像處理單元讀出數據根據用戶(hù)控制輸入單元輸出信號對圖像進(jìn)行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中，由顯示控制單元顯示到VGA上，并根據用戶(hù)輸入是否保存到Flash中。各單元模塊的具體說(shuō)明請參考

3.2 硬件平臺及資源配置

3.2 硬件平臺及資源配置

3.2.1 USB控制單元

USB控制單元是整個(gè)系統數據來(lái)源方式之一，在系統中占據重要位置。首先讓我們看一下其組成框圖，如圖二所示。

由上圖可知，USB控制單元主要由USB Packet Assemble/Dissemble，USB PL，USB FSM，EP Buffer組成。其中USB FSM主要實(shí)現USB功能設備，和Host Computer通信;USB Packet Assemble/Dissemble主要完成USB數據包的解包和打包，USB PL(USB Protocol Layer)實(shí)現USB協(xié)議;另外和USB PHY通信的模塊未畫(huà)出。

3.2.2 顏色空間轉換單元

顏色空間轉換單元完成將CMOS輸入YCrCb格式數據轉換成RGB數據的操作，其組成框圖如圖三所示。

由YCrCb轉換成RGB的格式如下：

R = Y + 1.371 * (Cr - 128);

G = Y - 0.698 * (Cr - 128) - 0.336 * (Cb - 128);

B = Y + 1.732 * (Cb - 128);

由于硬件實(shí)現特殊性，上式改為：

R = Y + 1403 * ( Cr - 128 ) /1024;

G = Y - 714* ( Cr - 128 ) /1024 - 344 * ( Cb - 128 ) /1024 ;

B = Y + 1773 * ( Cb - 128 ) /1024;

3.2.3 圖像處理單元

圖像處理單元是本系統中最重要的單元，主要完成數字圖像處理相關(guān)的工作，如直方圖均衡化，圖象銳化，以及頻率濾波等操作。其框圖如圖四所示：

圖像處理單元有基本的數字圖像處理模塊如直方圖均衡化，圖象銳化，以及頻率濾波等組成，可以根據用戶(hù)的選擇進(jìn)行不同的組合來(lái)完成特定的任務(wù)或目的(如圖像邊沿檢測等)。

3.2.4 其它控制單元

其他控制單元如總體控制單元，用戶(hù)輸入控制單元，雙口RAM控制單元，Flash控制單元主要完成系統運行過(guò)程中的控制和流程控制等操作。

3.3 系統流程圖

由以上系統各模塊的分析，各模塊功能及系統總體架構已經(jīng)有整體了解，現在就介紹一下系統整體的運行流程情況。

系統整體流程圖如圖五所示：

上圖是簡(jiǎn)化了的系統流程圖，可以看出系統中數據流經(jīng)的主要路徑。上電初始化后，根據用戶(hù)控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數據源，然后圖像處理單元讀出數據根據用戶(hù)控制輸入單元輸出信號對圖像進(jìn)行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中，由顯示控制單元顯示到VGA上，并根據用戶(hù)輸入是否保存到Flash中。