基于FPGA和MB86S02的數字圖像處理系統設計

0引言

圖像處理技術是信息科學中近十年來發展最為迅速的學科之一。目前，數字圖像處理技術巳被廣泛應用于航空航天、通信、醫學及工業生產等領域中。但是，如果單純使用現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權的產品。隨著網絡技術、大規模，超太規模集成電路(ASIC)以及現場可編程門陣列（FPGA）的發展，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、重量輕的方向發展，這也為圖像處理系統的設計和實現提供了新的方法和思路。

1系統功能

本系統的功能圖如圖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上，從而實現圖像的采集處理和顯示，并將處理后的數據通過調制解詞器經由PSTN網絡發送到接收端(監控中心)，以便在監控中心能夠使用在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

21圖像采集模塊

圖像采集模塊采用富士通公司生產的一款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，并可以直接輸出數字信號。因而大大方便了用戶的使用，簡化了開發工作，同時又提高了系統的性能。

FPGA通過與7MB86S02型CMOS圖像模塊的連接，來通過VHDL程序將MB86S02所采集到的數字圖像數據存儲在SRAM中，以備后續的LCD顯示和數據處理使用，然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經存儲的圖像數據發送到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據量很大，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。但運算的數據量較小，算法相對復雜，同時還具有一定的串行性。此次如繼續用硬件實現，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，進行數據交換也很方便，因此，本文基于FPGA的可編程片上系統(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，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(SOPC)技術和大規模高性能的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、開發周期和成本控制方面都得到很大的改進。