數(shù)字圖像處理平臺(tái)系統(tǒng)方案詳解
數(shù)字圖像處理自從出現(xiàn)以來(lái)，就一直是前沿的研究學(xué)科，經(jīng)久不衰，同時(shí)隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，市場(chǎng)對(duì)于數(shù)字圖像處理的需求也越來(lái)越大。因此，本項(xiàng)目------基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺(tái)主要是為各種需要進(jìn)行數(shù)字圖像處理的設(shè)備和應(yīng)用而設(shè)計(jì)的， 例如， 醫(yī)學(xué)上的CT， X-ray等圖像增強(qiáng)及處理； 各種需要支持圖像優(yōu)化的數(shù)碼設(shè)備等。 同時(shí)此平臺(tái)也可用于數(shù)字圖像處理相關(guān)課程的設(shè)計(jì)參考及教學(xué)演示。
1.2 項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺(tái)是一個(gè)多用途，多功能的數(shù)字處理平臺(tái)， 相比于其他同類設(shè)計(jì)，有以下優(yōu)勢(shì)：
1 采用可編程的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于設(shè)計(jì)的更新，減少因此帶來(lái)的升級(jí)費(fèi)用；
2 本平臺(tái)采用硬件實(shí)現(xiàn)，相比于采用DSP的軟件實(shí)現(xiàn)方法，處理的速度更快；
3 各模塊之間相互獨(dú)立，便于設(shè)計(jì)的復(fù)用，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后即可用于其它項(xiàng)目；
二．需求分析 2.1 功能分析根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本設(shè)計(jì)需要完成的功能有：
（1） 可以對(duì)輸入的數(shù)字圖像進(jìn)行基本的圖像增強(qiáng)，圖像平滑，圖像銳化，直方圖均衡化，直方圖標(biāo)準(zhǔn)化等操作，也可以進(jìn)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(cè)等高級(jí)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(jìn)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(jì) 3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理本設(shè)計(jì)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(gè)模塊。本設(shè)計(jì)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(hào)對(duì)圖像進(jìn)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(qǐng)參考
3.2 硬件平臺(tái)及資源配置圖一：總體硬件框圖 3.2 硬件平臺(tái)及資源配置 3.2.1 USB控制單元
USB控制單元是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)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。
圖二：USB控制單元框圖
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(shí)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(shí)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。
圖三：顏色轉(zhuǎn)換單元
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(shí)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：
圖四：圖像處理單元
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(jìn)行不同的組合來(lái)完成特定的任務(wù)或目的（如圖像邊沿檢測(cè)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(yùn)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(yùn)行流程情況。
系統(tǒng)整體流程圖如圖五所示：
圖五：系統(tǒng)流程圖
上圖是簡(jiǎn)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(hào)對(duì)圖像進(jìn)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。
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