基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、圖像采集是數(shù)字化圖像處理的第一步，開發(fā)圖像采集平臺(tái)是視覺(jué)系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。視覺(jué)檢測(cè)的速度是視覺(jué)檢測(cè)要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是專用圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要完成的首要目標(biāo)<'[1]>。傳統(tǒng)的圖像采集卡只能將采集的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，而不能傳輸給專用圖像處理系統(tǒng)，因此需要研制專用的圖像采集系統(tǒng)，既能夠?qū)崟r(shí)高速獲取視覺(jué)圖像，又能實(shí)時(shí)將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)和專用圖像處理系統(tǒng)。 FPGA(Field Programmable Gate Ar

2、ray)運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，易于并行運(yùn)算和實(shí)現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)，編程相對(duì)復(fù)雜，它實(shí)現(xiàn)圖像底層處理速度快，易于通過(guò)VHDL(VeryHigh Speed Integrate Circuit Hardware Description Language)語(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)。以FPGA為底層運(yùn)算和控制核心，能夠通過(guò)軟件編程無(wú)限次更改內(nèi)部硬件邏輯，改變功能，編程后的FPGA相當(dāng)于專用集成芯片，采用硬件電路實(shí)現(xiàn)軟件功能，具有很高的運(yùn)行速度。典型的視覺(jué)應(yīng)用

3、系統(tǒng)可由下列五個(gè)部分組成：圖像獲取、預(yù)處理、特征的提取、分類和識(shí)別、響應(yīng)等5個(gè)部分組成，其中預(yù)處理、特征提取、分類-識(shí)別三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)了視覺(jué)任務(wù)的底層、中層和高層。視覺(jué)檢測(cè)中圖像處理的特點(diǎn)是底層圖像處理數(shù)據(jù)量大，算法簡(jiǎn)單，占有2/3的計(jì)算量，高層圖像處理算法復(fù)雜，但數(shù)據(jù)量小。因此，底層圖像采集及控制過(guò)程由FPGA實(shí)現(xiàn)；高層圖像處理算法由DSP(Digital SignalProcessor，數(shù)字信號(hào)處理)實(shí)現(xiàn)，高速完成視覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)

4、處理任務(wù)。 本文以Altera公司的Cyclone系列EPlC6為核心構(gòu)建了圖像采集系統(tǒng)，該芯片建立在流水線設(shè)計(jì)和查找表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行并行運(yùn)算處理，不僅克服其它嵌入式芯片執(zhí)行速度慢的缺陷，而且完全適于各種圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)。圖像預(yù)處理中關(guān)鍵是圖像噪聲的濾除和特征提取，噪聲的濾除在圖像處理過(guò)程中十分重要，它影響圖像處理中圖像的輸入、采集、處理的各個(gè)環(huán)節(jié)以及輸出結(jié)果的全過(guò)程。因此，去噪聲是圖像處理中極為重要的步驟。一個(gè)良好的圖

5、像處理系統(tǒng)，不論是模擬處理還是數(shù)字處理，都是把降低第一級(jí)的噪聲作為重要工作。 本篇論文闡述了圖像噪聲的來(lái)源以及噪聲濾除的基本理論，給出了改進(jìn)的非線性濾波算法，并進(jìn)行各種算法的MATLAB仿真比較；概述了圖像采集系統(tǒng)的工作原理和各部分組成及其功能。采用EDA技術(shù)，設(shè)計(jì)以FPGA芯片為核心控制的圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的非線性濾波算法，仿真結(jié)果說(shuō)明算法的有效性和系統(tǒng)的高速性能達(dá)到了預(yù)期目的。本文在視覺(jué)檢測(cè)的主要指標(biāo)，即目標(biāo)識(shí)別和處理