基于FPGA的高速图像数据采集系统设计

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1、武汉理工大学硕士学位论文基于FPGA的高速图像数据采集系统设计姓名：张小琴申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：陈适20100501武汉理工大学硕士学位论文摘要随着嵌入式图像处理系统的发展和应用，其前端图像采集系统随之受到了极大地关注，该前端模块采集的图像优劣在很大程度上决定着其后续设计的分辨率及准确率。视频图像采集系统作为视频信号处理系统的一部分，它正在向高速度、高集成度、高分辨率、高可靠性的方向发展。如今，在工业、军事、医学等领域，图像采集系统都有着极其广泛的应用，如可视电话、图像模式识别、

2、电视会议、监控系统、工业控制、远程监控等等。如何实现更大数据量、更可靠、更低成本的图像采集处理系统，成为我们研究的热门话题，FPGA的快速发展为这一研究提供了新的解决方案。本文在对图像采集系统的应用及研究现状做概述的基础上，比较DSP、ASIC、FPGA这三种芯片在图像采集及处理系统应用中的优缺点，提出一种基于FPGA的图像采集处理系统的设计方案。该设计方案将整个采集系统分为五个大的功能模块，分别为：图像采集模块、图像存储模块、图像显示模块、FPGA核心处理模块及外围模块。首先对这些模块进行芯片选型，再分

3、别进行模块的硬件设计，包括：图像采集电路、D／A转换电路、SDRAM接口电路、VGA接口电路、时钟电路、JTAG接口电路及电源电路等。其中各模块芯片的逻辑控制、外围接口逻辑控制及数据算法处理均由FPGA来实现。本文对FPGA的开发流程及常用EDA工具做了简单介绍，并设计图像采集系统的功能模块结构。在QuartusII软件平台上做模块的功能仿真，得到预期的仿真结果，证明系统设计的正确性及可行性。这些模块主要包括：CMOS时序驱动模块、串行数据解串模块、SDRAM读写控制模块及图像预处理模块。在预处理模块，对

4、三种图像预处理方式进行了Matlab算法仿真，证明了双曲变换的近似算法的精确度达到设计要求。最后讨论了图像处理算法的FPGA实现，结合几种卷积运算特点，利用CyeloneII系列芯片特点，提出一种FPGA卷积运算的优化方案。关键词：FPGA；图像采集；CMOS传感器；双曲算法武汉理工大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentandapplicationoftheembeddedimageprocessingsystem，thefront-endimagecollectionsys

5、temhascausedseriousconcern．Itdeterminatetheresolutionratioandaccuracyrateofthesubsequentdesign．Thevideoimageacquisitionshouldbehighspeed，highintegration，hi曲-resolutionandhi曲reliabilitytomeetmarketdemand．Ithasawidelyuseinindustrial，military,medical，imageac

6、quisitionsystem，forexample，inthevideophone，imagerecognition，videoconferencing，monitoringsystem，industrycontrol，remotemonitoring．FPGA’Srapiddevelopmentprovidesanewsolutionforimageacquisitionandpr-ocessingsystem．Thispaperdescribestheapplicationandresearchst

7、atusofimageacquisitionsystem．CompareadvantagesanddisadvantagesofDSP,ASICandFPGAinimageacquisitionandprocessingsystem，proposedaFPGA-basedimageacquisitionandprocessingsystem．Thewholesystemisdividedintofivemajorfunctionalmodules，therewereimageacquisitionmodu

8、le，imagestoragemodule，imagedisplaymodule，FPGAcoreprocessingmoduleandperipheralachievemodule．Selectchipsanddesignthehardwarecircuit．Includingimageacquisitioncircuit，D／Aconvertercircuit，SDRAMinterfacecircuit，VGAinterf