基于FPGA的图像采集系统设计与实现Word文件下载.docx

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2的数据信号，把数据信号输入到FPGA芯

片中并在其中将该数据转换到RGB色域后在输出到ADV7123芯片进行D/A转换，最

后经过VGA接口电路把处理过的图像呈现在显示屏上。

经过相关的调试工作，系

统通用性比较好，并且移动性能也不错。

该系统的软件部分采用自顶向下的设计方法，模块化设计思想，硬件语言编

程，只修改源程序，不必更改硬件电路，就可实现在线编程，实时控制，从而有

效地减少系统的体积，不但增加了系统可靠性，降低研制成本，并且能够对控制

逻辑进行修改升级，十分灵活。

该系统包括三个功能模块：

图像采集模块、图像

处理模块、图像显示模块。

关键词：

FPGA；

TVP5150；

RGB色域；

ADV7123芯片

ImageacquisitionsystembasedonFPGAdesignand

implementation

Abstract

Itistherapiddevelopmentofscienceandtechnology,digitalimageprocessing

technologyhasbeenrapiddevelopmentinthiseraandhasbeenwidelyusedinall

walksoflife,andthematurityofFPGAtechnologyhaschangedthecommonlyused

parallelcomputerordigitalsignalprocessor（DSP,aspecialintegratedcircuit（ASIC

astheembeddedprocessorusage.Programmablelogicdevice（FPGAwithitslow

cost,highparallelprocessingspeed,flexibilityandshortdevelopmentcycleandother

characteristics,hasitsuniqueadvantagesinimageprocessingsystem.Theproject

demand,thispaperpresentsasolutionofimageacquisitionandprocessingsystem

basedonFPGA,andtheuseoflowcostandhighperformanceofAlteracompany'

s

CyclonelIseriesFPGAEP2C8Q208C8Nasthecore,designanddevelopmentof

integratedsystemofhardwareandsoftwareofimageacquisitionandprocessing.

Inviewofthereliabilityofvideoimageacquisitionandreal-timeperformance,

thispaperdescribeshowtoFPGAforvideoacquisitionsystemcontrol.Using

CycloneⅡEP2C8Q208C8NKchipproducedbyAlteracompany,isresponsiblefor

receivingandprocessingvideodatafromtheTVP5150decoding,convertsthedata

intoRGBcolorgamutintheoutputtotheADV7123chip.Afterdebugging,the

systembettergenerality,andmobileperformanceisalsogood.

Keywords：

FPGA；

RGBcolorgamut；

ADV7123chip

1前言..........................................1

1.１课题背景与意义...............................1

1.2研究的现状及特点..............................2

1.３研究的主要内容...............................2

2图像采集系统的硬件电路设计....................3

2.１采集系统硬件的总体设计.......................3

2.2FPGA核心模块....................................5

2.3外围电路.....................................6

2.4图像采集电路....................................7

2.5图像显示电路....................................8

3图像采集系统的软件设计.......................11

3.1系统的设计环境.............................11

3.2设计的主要流程..............................12

3.3设计内部数据量的变换.........................12

4调试.........................................17

参考文献........................................18

致谢............................................19

附录............................................20

11前言

1.1课题背景与意义

随着多媒体技术在各个应用领域不断普及，用户会不断要求新产品具有更大的图像容量、更高的图像质量和更快的图像处理速度，这为图像的存储和处理提出了更高的要求。

在数字图像处理可视电话通信、数字电视等应用中，遇到的首要难题就是数据量过大，导致图像传输和存储成问题。

现场可编程门阵列（FPGA,与传统逻辑电路和门阵列相比FPGA具有不同的结构它增强了电路设计的灵活性。

不但降低了开发成本，而且也减小了设计风险，并且充分挖掘图像处理算法中的并行性，在较低主频下能获得可观的执行速度。

因此，在信号处理方面得到了广泛的应用。

FPGA作为系统以及图像采集处理板卡的核心器件，外围器件的电路和功能已经得到尽可能的简化，许多外围的功能器件的接口都不需要单独的接口芯片来完成，均由FPGA来实现.整个系统中仅仅需要FPGA以及FPGA配置芯片、SDRAM、PCI接口芯片三个主要的芯片，整体上看提高了电路的稳定性，而且其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。

因此FPGA内部逻辑设计就成为图像采集处理系统设计的核心和关键。

1.2研究的现状及特点

20世纪20年代，图像处理首次得到应用。

20世纪60年代中期，随电子计算机的发展得到普遍应用。

60年代末，图像处理技术不断完善，逐渐成为一个新兴的学科。

利用数字图像处理主要是为了修改图形，改善图像质量，或是从图像中提起有效信息，还有利用数字图像处理可以对图像进行体积压缩，便于传输和保存。

数字图像处理主要研究以下内容：

傅立叶变换、小波变换等各种图像变换；

对图像进行编码和压缩；

采用各种方法对图像进行复原和增强；

对图像进行分割、描述和识别等。

随着技术的发展，数字图像处理主要应用于通讯技术、宇宙探索遥感技术和生物工程等领域。

数字图像处理因易于实现非线性处理，处理程序和处理参数可变，故是一项通用性强、精度高、处理方法灵活、信息保存、传送可靠的图像处理技术。

主要用于图像变换、量测、模式识别、模拟以及图像产生，并广泛应用在遥感、宇宙观测、影像医学、通信、刑侦及多种工业领域[1]。

而在对图像处理这一技术上FPGA具有以下几种特点：

（1：

高性能，可以在一片FPGA中完成多种处理功能

（2：

灵活性高使产品快速面市，方便产品跟新，满足不断发展的需求

（3：

低开发成本并且结构化容易操作

（4：

不会过时，其拥有非常广泛的客户基础，而且FPGA可以很容易的从一个工作节点移植到下一个工作节点。

1.3研究的主要内容

先利用CCD图像传感器采集图像模拟量输入给TVP5150芯片，再利用Altera公司的CyclonelI系列FPGAEP2C8Q208C8N芯片，负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据，将该数据转换到RGB色域后在输出到ADV7123芯片再传输到液晶显示器。

在系统设计过程中需要研究以下问题:

制定图像采集系统的整体的设计方案.。

设计图像采集模块，图像处理模块，图像显示模块，和FPGA主控制模块。

程序的编译与仿真，通过对程序的编译与仿真实现了对FPGA芯片控制，将数据转换到RGB色域后输出。

系统设计过程中主要通过Quartus9.1的开发环境编译系统的程序，然后使用下载软件将程序下载到单片机运行，通过运行情况修改程序再进行调试。

调试的是从单个模块开始，然后进行综合调试至系统功能的实现。

2图像采集系统的硬件电路设计

2.1采集系统硬件的总体设计

如图2-1所示：

该系统包括几个功能模块：

图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块。

其中图像采集模块主要由外接摄像头和TVP5150解码芯片组成，完成视频信号的采集和硬件解码能，并以ITU-656标准输出YUV4：

2：

2信号；

图像处理模块选用的FPGA是Altera公司生产的CycloneⅡEP2C8Q208C8N芯片构成，完成系统控制，视频信号的采集以及后续处理等工作；

图像显示模块主要由ADV7123芯片、VGA接口和CRT显示器等组成，主要完成视频信号的数模转换，输出并显示视频信号。

图2-1图像采集系统的硬件总体设计

在图2-1所示视频图像的采集与处理过程中，FPGA作为整个系统的控制与处理核心，主要是通过该芯片的I/O管脚来控制数据采集芯片TVP5150和高速D/A转换芯片ADV7123，并且负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据，将该数据转换到RGB色域后输出到ADV7123芯片。

实物如图2-2所示：

图2-2硬件实物

2.2FPGA核心模块

在充分考虑性价比和设计功能的基础上，决定采用Altera公司CycloneII系列的FPGA，它是Altera公司最新一代SRAMI艺、中等规