強大的多功能圖像采集及處理平臺系統(tǒng)方案，提供軟硬件詳解

一.項目概述

1.1 項目背景

數(shù)字圖像處理自從出現(xiàn)以來，就一直是前沿的研究學(xué)科，經(jīng)久不衰，同時隨著數(shù)字化時代的到來，市場對于數(shù)字圖像處理的需求也越來越大。因此，本項目------基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺主要是為各種需要進行數(shù)字圖像處理的設(shè)備和應(yīng)用而設(shè)計的， 例如， 醫(yī)學(xué)上的CT， X-ray等圖像增強及處理; 各種需要支持圖像優(yōu)化的數(shù)碼設(shè)備等。 同時此平臺也可用于數(shù)字圖像處理相關(guān)課程的設(shè)計參考及教學(xué)演示。

1.2 項目優(yōu)勢

基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺是一個多用途，多功能的數(shù)字處理平臺， 相比于其他同類設(shè)計，有以下優(yōu)勢：

1 采用可編程的FPGA進行設(shè)計，便于設(shè)計的更新，減少因此帶來的升級費用;

2 本平臺采用硬件實現(xiàn)，相比于采用DSP的軟件實現(xiàn)方法，處理的速度更快;

3 各模塊之間相互獨立，便于設(shè)計的復(fù)用，經(jīng)過簡單處理后即可用于其它項目;

二.需求分析

2.1 功能分析

根據(jù)本項目的設(shè)計目標，本設(shè)計需要完成的功能有：

(1) 可以對輸入的數(shù)字圖像進行基本的圖像增強，圖像平滑，圖像銳化，直方圖均衡化，直方圖標準化等操作，也可以進行頻域相關(guān)的巴特沃思濾波，高斯濾波等操作。

(2) 可以通過組合各種不同的基本圖像處理過程，完成諸如圖像邊沿檢測等高級處理。

(3) 可以輸入CMOS傳感器轉(zhuǎn)換的YCrCb格式圖像數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為RGB格式。

(4) 可以通過USB接口提供數(shù)字圖像處理器的圖像數(shù)據(jù)進行處理。

(5) 可以將處理過的圖像保存在Flash中，并且能夠通過VGA顯示處理過程中生成的圖像。

三.方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

本設(shè)計采用Xilinx公司的Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board開發(fā)板，利用其上的Xilinx Spartan®-6 FPGA (XC6LX16-CS324) 的大容量邏輯資源完成各個模塊。本設(shè)計總體硬件框圖如圖一所示。從圖一中可以清楚地知道系統(tǒng)主要由USB設(shè)備控制單元，顏色空間轉(zhuǎn)換單元，用戶控制輸入單元，總體控制單元，雙口RAM控制單元，F(xiàn)lash控制單元，顯示控制單元和圖像處理單元組成。

系統(tǒng)的工作原理如下所述：總體控制單元根據(jù)用戶控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數(shù)據(jù)源，然后圖像處理單元讀出數(shù)據(jù)根據(jù)用戶控制輸入單元輸出信號對圖像進行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中，由顯示控制單元顯示到VGA上，并根據(jù)用戶輸入是否保存到Flash中。各單元模塊的具體說明請參考

3.2 硬件平臺及資源配置

3.2 硬件平臺及資源配置

3.2.1 USB控制單元

USB控制單元是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源方式之一，在系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。首先讓我們看一下其組成框圖，如圖二所示。

由上圖可知，USB控制單元主要由USB Packet Assemble/Dissemble，USB PL，USB FSM，EP Buffer組成。其中USB FSM主要實現(xiàn)USB功能設(shè)備，和Host Computer通信;USB Packet Assemble/Dissemble主要完成USB數(shù)據(jù)包的解包和打包，USB PL(USB Protocol Layer)實現(xiàn)USB協(xié)議;另外和USB PHY通信的模塊未畫出。

3.2.2 顏色空間轉(zhuǎn)換單元

顏色空間轉(zhuǎn)換單元完成將CMOS輸入YCrCb格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB數(shù)據(jù)的操作，其組成框圖如圖三所示。

由YCrCb轉(zhuǎn)換成RGB的格式如下：

R = Y + 1.371 * (Cr - 128);

G = Y - 0.698 * (Cr - 128) - 0.336 * (Cb - 128);

B = Y + 1.732 * (Cb - 128);

由于硬件實現(xiàn)特殊性，上式改為：

R = Y + 1403 * ( Cr - 128 ) /1024;

G = Y - 714* ( Cr - 128 ) /1024 - 344 * ( Cb - 128 ) /1024 ;

B = Y + 1773 * ( Cb - 128 ) /1024;

3.2.3 圖像處理單元

圖像處理單元是本系統(tǒng)中最重要的單元，主要完成數(shù)字圖像處理相關(guān)的工作，如直方圖均衡化，圖象銳化，以及頻率濾波等操作。其框圖如圖四所示：

圖像處理單元有基本的數(shù)字圖像處理模塊如直方圖均衡化，圖象銳化，以及頻率濾波等組成，可以根據(jù)用戶的選擇進行不同的組合來完成特定的任務(wù)或目的(如圖像邊沿檢測等)。

3.2.4 其它控制單元

其他控制單元如總體控制單元，用戶輸入控制單元，雙口RAM控制單元，F(xiàn)lash控制單元主要完成系統(tǒng)運行過程中的控制和流程控制等操作。

3.3 系統(tǒng)流程圖

由以上系統(tǒng)各模塊的分析，各模塊功能及系統(tǒng)總體架構(gòu)已經(jīng)有整體了解，現(xiàn)在就介紹一下系統(tǒng)整體的運行流程情況。

系統(tǒng)整體流程圖如圖五所示：

上圖是簡化了的系統(tǒng)流程圖，可以看出系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流經(jīng)的主要路徑。上電初始化后，根據(jù)用戶控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數(shù)據(jù)源，然后圖像處理單元讀出數(shù)據(jù)根據(jù)用戶控制輸入單元輸出信號對圖像進行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中，由顯示控制單元顯示到VGA上，并根據(jù)用戶輸入是否保存到Flash中。