基于FPGA和USB3.0的视频采集与处理系统设计

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jintianfuqin
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鉴于目前视频采集与处理系统在智能监控和安防、医学影像和自动驾驶等领域应用的高要求,设计一个实时、准确提取边缘信息的视频采集与处理系统就显得尤为重要。随着视频采集和处理技术领域的持续创新和快速发展,图像中所蕴含的信息越来越多,对于图像所获取信息的正确性及图像的清晰性的要求也越来越高,但现有的视频采集及处理系统并不能同时满足实时并且准确提取边缘信息的需求。所以本文设计基于FPGA和USB3.0的视频采集与处理系统,主要工作如下:(1)根据视频采集与处理系统对实时性与视频图像预处理的硬件等方面的需求,确定整个系统的总体设计,对现在主流的各个器件型号进行性能与优势分析,选择出满足系统需求的器件,完成各个器件的电路搭建。(2)研究基于FPGA实现图像处理算法,阐述了使用FPGA硬件来实现图像处理算法相对于PC机软件的优势,研究的图像处理算法具体包括:灰度图像提取、Sobel边缘检测、中值滤波、二值化腐蚀和膨胀、Laplacian锐化以及直方图均衡算法。其中,针对Sobel边缘检测的设计去掉了传统DDR存储器模块,节省存储器读取的时间进而降低系统整体时延。针对直方图均衡的设计采用统计结果与累计结果共用一个RAM的方式,节约30%的硬件资源。(3)设计并实现基于FPGA和USB3.0的视频采集系统,主要包括:基于FPGA的逻辑程序设计、USB3.0程序设计以及PC机的应用软件设计。该系统可稳定采集1280*720@30fps视频,数据传输带宽可达240MB/s。(4)在实现的视频采集系统上,设计预处理模块实现Sobel边缘检测。并根据系统结果的不足对该预处理系统不断优化,加入中值滤波和Laplacian锐化算法,滤除细小噪声,突出视频图像的边缘和细节,反映出更多边缘信息,进一步提高视频处理系统的处理效率和准确性。同时,采用FPGA硬件架构流水线的方式实现图像处理算法,提高了整个系统的实时性,达到预期效果。综上所述,本文在提出的硬件架构上实现了图像预处理与实时传输视频,既能准确提取视频图像的边缘信息,又能保证系统的实时性,验证了该系统的可行性,在智能监控和安防、医学影像和自动驾驶等领域均具有广泛的应用价值。
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