基于FPGA和MB86S02的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設計

0引言

圖像處理技術是信息科學中近十年來發(fā)展最為迅速的學科之一。目前，數(shù)字圖像處理技術巳被廣泛應用于航空航天、通信、醫(yī)學及工業(yè)生產(chǎn)等領域中。但是，如果單純使用現(xiàn)成的專用視頻圖像處理芯片，根本無法設計出具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。隨著網(wǎng)絡技術、大規(guī)模，超太規(guī)模集成電路(ASIC)以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的發(fā)展，它們在圖像領域的應用越來越廣泛，同時，圖像處理設計也正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展，這也為圖像處理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了新的方法和思路。

1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的功能圖如圖1所示，其結構圖如圖2所示。它以內嵌Nios軟核的FPGA，低級，高級為核心，并將圖像采集芯片和存儲器等外圍設備芯片嵌入到系統(tǒng)上，從而實現(xiàn)圖像的采集處理和顯示，并將處理后的數(shù)據(jù)通過調制解詞器經(jīng)由PSTN網(wǎng)絡發(fā)送到接收端(監(jiān)控中心)，以便在監(jiān)控中心能夠使用在PC上編寫的上位機程序將處理后的圖像顯示出來。





2圖像處理的實現(xiàn)

21圖像采集模塊

圖像采集模塊采用富士通公司生產(chǎn)的一款375x293(10萬)像素(即CIF恪式)的CMOS圖像傳感器MV86S02，該芯片在片內集成了色彩信號處理器。這種將CMOS圖像傳感器與色彩信號處理器集成到一個芯片內部的技術可以降低系統(tǒng)功耗和體積。由于MV86S02包含了圖像采集的所有前端處理功能，并可以直接輸出數(shù)字信號。因而大大方便了用戶的使用，簡化了開發(fā)工作，同時又提高了系統(tǒng)的性能。

FPGA通過與7MB86S02型CMOS圖像模塊的連接，來通過VHDL程序將MB86S02所采集到的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲在SRAM中，以備后續(xù)的LCD顯示和數(shù)據(jù)處理使用，然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經(jīng)存儲的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機，最后在PC機上的接收程序的控制下來顯示接收的圖像。圖像采集模塊的時序仿真結果如圖3所示。



2 2圖像低端處理模塊

圖像的低級處理工作的數(shù)據(jù)量很大，因而要求速度要快．但算法相對簡單。本文在FPGA中實現(xiàn)了低端處理的中值濾波的快速處理算法的硬件電路，中值濾波窗口內所有像素點的度灰值都會從小到大(或O從大到小)順序排列，并以度灰值序列的中間值來代替窗口中心像索點的灰度值。這就意味著執(zhí)行過程中要進行大量的比較和賦值運算，改進的快速濾波算法的設計思想是將二維濾波陣列分解為一維來進行計算。即首先求出濾波窗口中水平各行像素點灰度值的中值，再求出這些水平各行中值的中值，并以此作為濾波結果。圖4給出了快速中值濾波的時序仿真圖。

2 3圖像的高級處理和顯示

高級的圖像處理可以參考低級處理方式來實現(xiàn)。但運算的數(shù)據(jù)量較小，算法相對復雜，同時還具有一定的串行性。此次如繼續(xù)用硬件實現(xiàn)，就要占用大量的硬件資源，因此，可以采用嵌入式的CPU來完成。由于CUu與FPGA的結構有很大的帶寬，進行數(shù)據(jù)交換也很方便，因此，本文基于FPGA的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)技術，將圖像的高級處理由NiosⅡ核CPU結合定制指令和外圍電路來實現(xiàn)，以提高處理速度，

而將圖像顯示叉由嵌入NiosⅡ處理器和VGA顯示控制器來完成。

3結束語

以內嵌Nios軟核的FPGA為核心處理器，可以完成圖像的采集控制，低級，高級圖像處理以及圖像顯示的設計。由于基于FPGA的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)技術和大規(guī)模高性能的FPGA豐富資源。因此，利用嵌人NiosⅡ處理器和必要的外圍電路，可使圖像處理在速度、功耗、靈活性、開發(fā)周期和成本控制方面都得到很大的改進。