武汉艾崴为新疆研发一款FPGA的图像处理系统

新疆针对目前采用通用计算机、多ＣＰＵ并行、ＤＳＰ等方法实现实时图像处理的不足，武汉艾崴研究了一种基于ＦＰＧＡ的图像处理系统，由图像采集和图像处理基本算法两部分组成．图像采集选用 ＯＶ7670图像传感器，其内部集成了传感器及图像处理单元，可以直接输出数字信号给ＦＰＧＡ．图像处理选用 Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ系列的 ＦＰＧＡ芯片，在芯片上完成了图像采集的控制，模拟了Ｉ２Ｃ总线协议，通过 设计ＦＰＧＡ的内部逻辑实现了图像灰度化、中值滤波、边缘检测等图像处理基本算法，使处理速度远远快于软件方法．仿真结果显示：该系统实现了实时图像的快速采集和处理，最高能达到３０帧／ｓ，并且分辨率为６４０×４８０。 M0L安检之家

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图像采集与图像处理一直是比较热门的研究领域，涉及到信号处理、人工智能、模式识别等多种学科，主要应用在汽车电子、消费电子、安保监控、国防军工以及３Ｄ投影等领域。 随着信息技术的发展，对于图像的获取与处理的方案越来越多，例如专用模拟器件、ＡＳＩＣ 芯 片、ＤＳＰ芯片及 ＡＲＭ 芯片都能应用于图像处理领域．ＡＳＩＣ是专用集成电路，比较适合解决实时图像处理并且其处理速度快于ＦＰＧＡ，但其具有开发周期长、成本高以及设计出厂后不能根据需求进行修改、灵活性差等缺点．ＡＲＭ 和 ＤＳＰ还是一种 ＣＰＵ，其串行的结构并不适应某些实时性较强的图像处理算法。而 ＦＰＧＡ 可根据需求，通过设计完成不同功能的硬件电路，在设计中可采用流水线和并行处理的技术，使其在处理算法上具有高效性，并且其开发周期相对于 ＡＳＩＣ短，易于维护和拓展，在实时图像处理方面具有很大的优势，新疆目前多种图像处理算法如图像缩放、图像旋转、图像压缩、边缘检测、直方图均衡化、中值滤波都适合用ＦＰＧＡ处理，并且相关算法也在不断完善。综上所述，武汉艾崴在此研究基于ＦＰＧＡ的图像处理系统，并提出快速中值滤波和ｓｏｂｅｌ边缘检测算法的 ＦＰＧＡ 实现。 M0L安检之家

一、系统总体结构和工作原理 M0L安检之家

系统采用 OV7670数字图像传感器采集图像，图像处理以及其他控制模块采Altera 公司的CycloneII系列FGAP芯片，型号为EP2C8Q208C8，速度等级为8，最高工作频率为320MHz，有8256 个逻辑单元,采用一片64Mbit的SDRAM芯片存储图像，将最后处理后的图像输入到VGA显示．总体结构图如图１所示． M0L安检之家

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系统采用５０ ＭＨｚ晶振，上电后通过ＦＰＧＡ内部逻辑模拟的Ｉ２Ｃ协议对 ＯＶ７６７０图像传感器进行控制寄存器的配置，设定工作方式，设置输出图像格式为 ＹＣｂＣｒ４：２：２，即８ｂｉｔ亮度信号和８ｂｉｔ色度信号间隔输出．系统参数初始化后，ＦＰＧＡ 通过ＰＬＬ分频为图像传感器提供２５ＭＨｚ的时钟，实时读出行同步信号、帧同步信号、８ｂｉｔ图像数 据和像素时钟．格式转换模块接收 ＯＶ７６７０图像传感器传来的数据，间隔取８ｂｉｔ的亮度信号即８ｂｉｔ灰度图像数据，再送至数据缓冲和存取控制模块．由于图像采集模块采用的频率为２５ＭＨｚ，而 ＳＤＲＡＭ 控制模块采用的频率为１００ＭＨｚ，所以利用异步 ＦＩＦＯ 将数据暂存，并控制启动 ＳＤＲＡＭ 存储器的上电刷新操作，然后对ＳＤＲＡＭ 进 行 读 写，把 一 帧 图 像数据先写入ＳＤＲＡＭ，同时将图像数据送至图像处理模块，在该模块完成中值滤波或边缘检测．中值滤波和边缘检测都是基于方形窗口操作的，因此主要由三个模块实现：边缘检测功能模块，中值滤波功能模块，３×３方窗口生成模块． M0L安检之家

本系统没有采用传统的中值滤波方法，而且是利用一种快速中值滤波的算法，通过多级流水的方式，加快了运算速度．边缘检测采用Ｓｏｂｅｌ算子来计算ｘ方向和ｙ 方向的导数值，然后将两个方向的导数值取绝对值相加，得到中心像素点的近似梯度．将处理完的图片数据再存入ＳＤＲＡＭ，最后利用乒乓操作，采用ＦＩＦＯ行缓存的方式，将ＳＤＲＡＭ 中处理完成的图片输出到 ＶＧＡ 显示．