基于FPGA视频图像处理的研究

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在实时性要求高的处理系统中,通常采用DSP或者专业集成电路ASIC作为核心处理器。随着对处理频率要求的不断提高,DSP也遇到了处理速度的瓶颈,而ASIC的超长的开发周期和昂贵的制作成本,已经让人们在不断的寻找新的可以替代的器件。随着EDA技术的不断发展,FPGA依靠其真正的硬件并行性和极大的灵活性,以及能够迅速占领市场的巨大优势,已经得到了广泛的应用。尤其在视频图像处理中,需要对大量的高速,并行的视频流数据进行实时处理,FPGA更能发挥其独有的优势。本文的研究主要是利用FPGA实现了一个实时图像处理平台,其中包括选择合适的快速算法,系统整体构架设计,Verilog HDL的实现和针对每个模块的自动化测试。其中,本文分析了视频图像处理中的基本算法,结合FPGA自身的一些特点,在阐述了FPGA的一些设计思想和方法的基础上,对一些图像算法在并行性上进行分解和优化,使算法更能够适合并行的硬件设计。同时,本文在高速的图像处理平台上,通过FPGA实现了I~2C控制器模块,异步FIFO模块,SAA7113视频信号采集模块其中包括了解码VPO总线ITU.BT656格式,YUV空间到RGB颜色空间转换,柔性适用于不同分辨率的TFT-LCD,VGA控制器显示方案,由中值滤波和高通滤波组成的滤波去噪模块,图像的二值化模块,以及与外部处理器的接口模块,同时针对存储器操作实现了SRAM的乒乓操作和SDRAM控制器模块,该模块由于PCB走线和工艺关系最快可以跑到140MHz。本系统设计的关键是将算法与硬件电路结合起来,采用并行性和流水性结构实现,与传统的采用PC软件的串行性有着本质的区别,在软件设计中合理的数据结构是实现算法的基石,软件中的数据结构都是在顺序执行的基础上实现的,而在FPGA设计的基础是由可以同步并行执行的电路构成。在FPGA设计中需要将这些算法分解成可以并行执行电路逻辑结构,并且能适用发挥最大效率的硬件结构。在本文的最后,介绍了采用脚本的方式利用EDA工具搭建自动化测试平台的基本方法和利用测试平台针对该系统进行自动化测试结果对比的一些基本步骤,最后,给出了每个模块的调试和实验结果。
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