（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga的图像增强技术研究.pdf

摘要 摘要 图像增强技术是数字图像处理领域中的一项重要内容，随着数字图像处理 应用领域的不断扩大，快速、实时图像处理技术成为研究的热点。超大规模集 成电路技术的飞速发展为数字图像实时处理技术提供了硬件基础，尤其是f p g a ( f i e l dp r o 龋m 瑚a b l eg a t e a m y ，现场可编程门阵列) 凭借其高速并行、可重配 置的架构和基于查找表的独特结构等优点使得在数字信号处理领域的应用持续 上升。国内外，越来越多的实时图像处理应用逐渐转向f p g a 平台。 本文基于f p g a 的图像增强技术研究主要是针对空间域方法，这种方法是 指在空间域内直接对像素灰度值进行运算处理，算法简单并且存在并行性，非 常适合于用硬件实现。f p g a 可以灵活地实现并行、实时处理图像数据，正是利 用这一特点，本文提出了一种基于f p g a 的图像增强处理系统设计。该系统采 用s o p c 技术，完成图像增强处理。文中给出了系统设计思路，并分析了该系 统的结构及功能实现，说明了系统实现过程。其硬件平台的核心部分是a l t e r a 公司s t r a t i x 系列的f p g a e p l s 4 0 芯片，采用自项向下的设计方法构造图像增强 处理功能模块，利用硬件描述语言v h d l 对图像增强模块进行电路描述，并进 行设计优化、仿真，在生成系统配置文件后加载到f p g a 上进行板级调试。完 成了基于f p g a 的图像增强算法模块的设计，重点设计实现了点运算增强处理 模块、中值滤波器模块，并对中值滤波器进行了改进设计实现，采用f p g a 完 成了对图像增强算法的硬件加速。 关键词：f p g a ；v h d l ；s o p c ；图像增强 a b s t r ：a c t a b s t r a c t h n a g ea 血a n m 踟ti so fg 陀a ti m 弦r t a n ti nt h ea r 镪o fi m a g pp r o c e s s i n g t c c h n o l o g y - w i t h 山em o r ea p p l i c 撕o no fd i 百t a li i n a g ep r o c e s s i n 舀i m a g er e a l - t i m e p r o c e s s i n g b e c o m e st h er e s e a r c hh o t s p o t 1 1 1 ed c v e l o p m e n to fv l s i ( v 酊l a r g e s c a l ei n t e 黟a t i o n ) s u p p l i 髓t l l eh a r d w a r eb a s i sf o rd i 百协li m a g er c a l - t i m ep m c 韶s i n g t h e 印p l i c a t i o no ff p g a ( f i e i dp r o g m m m a b l eg a t ea m y ) i nt l l e a r c ao fd i g n a l i m a g ep r o c 舒s i n gc x t d sc o n t i 删a l l y i no u rc o 帅r 柚do m e rc o u n t r i 嚣a b r o a d ， m o r e 缸dm o r ea p p l i c a t i o n so fi m a g er e a i t i m ep r o c e s s i n g 伽m 也e i rs t e p st ot h e f p g ap l a t f o m l n e 咖d y o fi m a g ee i i l l a i l c c l l l e n tb 勰e do nf p g ai nm i sd i s s e r t a t i o na i m sa tm e m e t l l o di i ls p a c ed o m 撒t h em e t 量l o dm e a n st l l a tw ed i r e c t l yo p e r a t et l l ep i x e l si l l s p a c ed o m a i n t h ea 1 9 0 d t l l m sp r c s e n tt h ep a r a l l dt m i t t l l a tt h e ya r ec 0 唧a t i b l y i m p l e i l l e n t e db ym e a i l so fl l a r d w a r e i nm ed i s s e r t a t i o n ，n l ed 髂i g no fn l es y s t e n lo f i n 城g ea 血鲫蚴e mb a s e d o nf p g ai 8 p u tf o f w 蕊 ni n 巾l e r n e i 晦i m a g e 础l a n c e n l 髓tw i ms o p ct e d m o l o 甜t h et h o u g h to ft h es y s t 锄d e s i 缈i si m r o d u c e d ， t h ec o n f i g 呱a t i o n 卸dt 1 1 ef i l n c t i o ni m p l 锄e n to f ( h es y s t 锄a r ea n a l y z e d ，m e p r i n c i p l eo fs y s t 锄i ss h o w n 1 1 1 eh a r d c o r eo f l eh a r d w a r ep l a t f o 咖i sf p g a s 打a t i x e p ls 4 0c h i p 舶ma 1 t e r ac o 。t h e 缸l c t i o nm o d u l eo fi m a g ee i l h a l l c 锄e n ti s d e s i 印c db ya d o p t i n g 山em e 吐l o do ft o p - d o w n w bd e s c r i p tt h ec i r c u i to fi m a g e 髑h a n c 锄锄tm o d u l ei nv h d l ，o p t i m i z em ed e s i 鹛a n dl o a dt h es y s t e m c o n f i g 啪嘶o n6 l e0 nf p g at od e b u 吕1 1 l ed e s 细o fm em o 圳eo fi n l a g e 锄h a n c 锄e n t f p g ai sc o m p l 锄e d t h em o d u l eo f p o i n t 叩e r a t i o na n d l em o d l l l e o f m e d i a i lf i l t e ra r ed e s i 鲈e d 彻di m p l 锄舶t c d 啪p h a i i c a l l y t h e 他f o m a t i v ed e s i 肛 o fm c d i a i lf i n e ri sc o m p l 鼬c d t h cd 懿i g nc o m p l e t 韶m eh a r d w a r cs p i c e d u po fi i i l a g e e i l l l a r l 姗e n ta l g o f i t l l m s k e yw o r d s ：f p g a ；v h d l ；s o p c ；i m a g ec i i h a i l c 锄a n i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：蔼专揖婚 岬年弓月伊 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：韩碡娟 川年；月伸 1 第一章引言 1 1 选题背景及意义 第1 章引言 随着电子技术的发展，f p g a 成为新一代面向用户的可编程逻辑器件。它 的功能密度之高足以替代多个功能复杂的逻辑器件，或者一个小型数字系统。 自f p g a 问世以来，它已在许多领域获得了广泛的应用。f p g a 技术在数字信号 处理中的应用，将逐渐成为前端信号处理的主流钔。 对于计算机视觉领域来说，数字图像处理是其中的重点内容之一。一般情 况下，成像系统获取的图像( 即原始图像) 由于受到种种条件限制和随机干扰，往 往不能在视觉系统中直接使用，必须在视觉信息处理的早期阶段对原始图像进 行灰度校正、噪声过滤等图像预处理。所用的图像预处理方法并不考虑图像降 质原因，只是突出图像中感兴趣的特征，衰减其不需要的特征。这类图像预处 理方法统称为图像增强【6 ，1 0 1 。图像增强要求系统必须具有处理大量数据的能力， 以保证系统的实时性；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。 图像增强算法中经常用到对图像的卷积，梯度运算、锐化、滤波、图像区域特 征提取等不同层次、不同种类的运算处理。这些运算本身结构比较简单，但是 所涉及到的图像数据量大，在计算速度要求比较高的场合，如果在p c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ，个人计算机) 机上采用软件来实现有时相当耗时，不能满足实时系 统的要求。在图像处理有实时要求时，目前通常采用d s p ( d i g i t a ls i 印a l p c e s s i n g ，数字信号处理) 器来完成。但采用多d s p 或d s p 阵列的方法使系统 在成本、重量、功耗等方面都会快速升高。优选的f p g a 方案可用来实现最繁 重的高端d s p 算法，同时还具有可编程逻辑解决方案所固有的灵活性、以及定 制门阵列解决方案所具有的高性能及高集成度等特点。f p g a 和d s p 的技术结 合，能够在集成度、速度和系统功能方面满足要求。由于f p g a 是通过并行处 理和“流水线”结构实现运算的【3 - 瑚凹】，所以应用f p g a 设计d s p 系统可以减 少系统体积，提高系统的工作速度。目前，新一代的f p g a 甚至集成了c p u ( c c i l 仃a ip r o c c s s i n gu n j t ，中央处理器) 或d s p 内核，在一片f p g a 上进行软硬 件协同设计，为实现s o p c ( s y s t e mo np r o 斟a i l l l n a b l ec l l i p ，片上可编程系统) 第一章引言 提供了强大的硬件支捌5 15 1 。f p g a 具有强大的并行处理和计算能力，在数字信 号处理应用中，基于f p g a 的解决方案能够提供比传统p c 或单板计算机处理器 快l o 倍乃至1 0 0 倍的处理速度。 课题的研究内容是采用f p g a 实现对图像增强算法的硬件加速。这种硬件 加速可以弥补传统的用p c 机对某些算法操作耗时、缓慢的缺点，在实际应用中 可提高工作速度，减轻p c 机负担，具有一定的理论和实用价值。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 ，2 1 目前数字信号处理实现技术的几种方案 提高图像处理速度是提高视觉测量系统速度的关键。图像处理速度的提高， 主要有两种手段，一是改变图像处理算法，使算法更为简单。但是最为耗时的 图像低端处理算法已经相当成熟，其运算的复杂性也相对固定，所以改变算法 同时又能够保证精度是非常困难的；二是改变实现算法的手段。目前，实现图 像处理算法的手段针对不同的应用需求主要有以下几种： ( 1 )在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如c 语言) 实现。由于速度原 因不太适合用在对大量数据运算的现场处理，特别是进行实时现场处理系统。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。由于在大数据量处理 时，加速卡和计算机之间的数据交换速度比较慢，因而通用计算机只能起到管 理者的作用，而不能参与实时处理。 ( 3 )用数字信号处理器实现。d s p 是近几年发展起来的针对信号处理而设计 的处理器，它的内部采用专用硬件实现一些数字信号处理常用的运算，所以它 进行这些运算速度非常快。如m a c ( 乘加) 运算只需要一个时钟周期( 流水线 满的情况) 。随着应用的需求，d s p 发展十分迅速，如t i 公司的t m s 系列，从 2 x 到8 x 系列，从定点到浮点，功能型号非常完善。现在许多高端工作站为提 高系统性能而增加d s p 模块，采用d s p 作为协处理器。但是从根本上来说，d s p 只是对某些固定的运算提高硬件优化，其体系仍是串行指令执行系统，并且这 些固定优化运算并不能够满足众多算法的需要，使它的使用受到限制。 ( 4 )利用超大规模集成电路实现。低成本可编程逻辑在嵌入式系统中应用得 越来越普遍，这为体系设计者提供了一个无需对处理器或架构进行大的改动即 2 第一章引言 可获得更高性能的可选方案。硬件加速是指利用硬件模块来替代软件算法以充 分利用硬件所固有的快速特性。从软件的角度看，使用硬件加速模块接口就跟 调用一个函数一样，唯一的区别在于此函数驻留在硬件中，对调用函数是透明 的，但是运行速度要比通过汇编语言优化的相同代码或将算法转换为查找表要 侠的多。加入为某种应用而定制的硬件加速模块可以提高处理能力，并减少代 码复杂性和密度，因为硬件模块取代了软件模块。换句话说，就是用硬件来换 取速度和简单性。利用可编程逻辑器件作为硬件加速的基础可将那些对时问有 严格要求的代码段转换为能够以5 一l o o 倍速度运行的函数调用，并且这一方法 可以利用一种可供软件开发之用的标准工具完成。 1 2 2 发展趋势 f p g a 与c p l d ( c o m p l e xp r o g r a i n m a b l el o 垂cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件，它们是在队l ( p r o 伊a h m a b l e 蛔yl 0 百c ，可编程阵列 逻辑) 、g a l ( g e l l 耐c 蛔yl o 百c ，通用阵列逻辑) 等逻辑器件的基础之上发展 起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以 替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系 统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。 自1 9 8 5 年推出第一片f p g a 至今，f p g a 已经历了十几年的发展历史。在这十 几年的发展过程中，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展： 现场可编程逻辑器件从最初的1 2 0 0 个可利用门，发展到2 0 世纪9 0 年代的2 5 万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂 商又陆续推出了数百万门的单片f p g a 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到 一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市 场吸引力，根本在于：f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性 等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使f p g a 越来越多地取代了a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，专用集 成电路) 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选4 “。 近年来采用f p g a 或c p l d 设计逻辑电路已成为一种趋势，其原因概括如下： ( 1 ) 由于i c ( i n t e 謦a t e dc i r c u i t ，集成电路) 集成度的大大提高，可编程器件给用 户提供了丰富的可编程资源；( 2 ) 可编程器件开发系统和仿真手段r 臻完美。 第一章g l 言 采用f p g a 可创建具有定制数据通道的处理器，数据以最小的负载从一个操作 并行传送到下一个操作，并且没有取指令的额外开销。这种结构使得在较低时 钟频率下也可达到较高的性能。而功耗直接正比于电路的频率，因此运行于较 低时钟频率下并行处理的f p g a 方案可大大减少功耗o 。1 。 对于没有硬件设计经验的软件工程师们，f p g a 的优势并没有完全体现出来。 因为f p g a 开发通常需要设计人员使用h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ， 硬件描述语言) ，并具有扎实的硬件知识。为了使广大软件工程人员能够利用 f p g a 的强大运算能力，在国外，s b s 科技公司和c e l o x i c a 公司联合开发提供了 一个新的f p g a 解决方案，它不需要开发人员具备丰富的硬件工作经验( 尽管它 需要使用者了解基本的f p g a 操作方式) 。把f p g ap c i 板卡安装在任何p c 中， 在p d ph a n d e lc 开发环境，它可以让软件工程师使用类标准c 开发程序。 对原始图像进行预处理，利用h o u g h 变换在图中突出直线，在这个应用中是在 上千公里的公路表面图中突出裂缝，原先用户使用p e n t i u m4w i n d o w sx p 平台 进行图像处理操作，需要1 2 分钟才能处理一幅图像；使用了f p g ap c i 板卡和 h a n d e lc 平台，仍然使用同一个p c ，处理一幅图像只需要2 秒种。国内也越来 越多的应用f p g a 来设计图像处理系统，高端高性能的f p g a 被应用于图像处理 领域，用来加快运算速度，使以前利用p c 处理无法达到的性能在硬件上实现成 为可能。如中科院国家天文台在星载系统设计中利用单片f p g a 实现实时、多任 务、高速的图像预处理。f p g a 的并行处理方式和“流水线”结构使得它在许多 方面有着广阔的应用。 f p g a 器件的特点还在于可用硬件描述语言对其进行灵活编程。利用f p g a 厂商提供的软件可仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵活方便， 缩短了系统研发周期。利用j t a g 接口可对其进行i s p ( i l ls y s t e mp r o g 阳m m a b l e ， 在系统编程) ，提高了系统的灵活性。随着芯片集成度的提高，单片f p g a 内不 仅拥有大量的逻辑单元而且还能集成r a m ，r o m ，i o 及d s p 块等，从而使片上 系统成为现实“8 4 。 总之，现代集成电路的发展，使得我们有多种可选方案，可设计基于d s p 芯片，a s i c 电路或f p g a 芯片的系统。与a s i c 和d s p 相比，f p g a 有以下优点： ( 1 ) 开发周期短，开发代价低。 ( 2 )可配置功能使得系统具有灵活性；设计者可以选择如何实现软件代码中 的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路；此外，还可以通过添加定制的 4 第一章g 言 硬件而获取比现成微处理器更好的性能；另一点是，f p g a 有充裕的资源，可配 置处理器系统可以充分利用这一资源。 ( 3 ) 可工作在高速、并行处里方式下。 ( 4 )f p g a 具有独特的卷积实现方法，尤其是乘法的系数是固定的，事先将数 据存储在查找表中，大大减少资源的占用率。 目前，数字系统设计的发展趋势可表现在以下几个方面“。1 ：( 1 ) 随着大 规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入”片上可编程系统”的新纪元。 s o p c ( 片上可编程系统) 是指将一个完整产品的各功能( 它可以有c p u ，存储器， 硬件加速单元等) 集成到一个器件上，从而构成片上可编程系统。( 2 ) 芯片朝 着高密度、低压、低功耗方向挺进。( 3 ) 国际各大公司都在积极扩充其 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 库，以优化的资源更好的满足用户的需 求，扩大市场。i p 是知识产权的简称，i p 核的定义为：经过预先设计、预先验 证，符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模 块或子系统，可重用于s o c ( s y s t e mo n8c h i p ，片上系统) 、s o p c 或复杂的 a s i c 设计中。实现集成系统的关键之一是建立功能模块和子系统的i p 库。在 s o c 和s o p c 的设计中，正是大量运用可重用的i p 核才使得设计效率大大提高。 因此，所谓可重用设计方法中最关键的技术是i p 核的设计与验证。引人注目的 所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。 1 3 课题来源及本文主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于北京市教委重点项目：大型曲面三维摄影测量方法与技术研 究。 1 3 2 本论文主要研究内容 本课题的主要内容是基于f p g a 的图像增强技术研究。随着计算机视觉应用 需求的不断扩大和计算机技术的飞速发展，数字图像处理面临着复杂化和高速 化的挑战。数字图像处理的数据处理通常是指对图像中的所有像素点做同样的 第一章引言 操作，其中存在固有的并行性，而且这些算法有时只有加和乘的基本操作，计 算量大，适合采用f p g a 进行硬件实现。 课题研究实验采用f p g ap c i 板卡开发套件，开发板的核心是a l t e r as t r a t i x e p l s 4 0 高密度器件。a 1 t e r a 公司的高端s t r a t i xf p g a 有许多系统级的功能模块， 如用于时钟产生和管理的p l l ( p h a s el o c kl o o p ，锁相环) 、用于片内存储数据 的r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，随机存储器) 块、用于数字信号处理的d s p 块 等。利用这些资源可以使图像处理的算法得以加速，从而减少c p u 的运算负担。 在f p g a 中，成千上万条指令能够在同一时刻执行，使得在p c 机中处理速度较慢 的图像增强算法用软硬件交互协同设计的方式实现，提高运算速度。本课题就 是采用f p g a 对图像增强算法进行硬件加速实现。文中提出了一种基于f p g a 的图 像增强处理系统设计方案，该系统采用s o p c 技术，完成图像增强处理，给出了 系统设计思路，并分析了该系统的结构及功能实现，说明了系统实现过程，完 成了点运算增强模块、均值滤波模块和中值滤波模块的设计实现，并对中值滤 波模块进行了改进设计实现。 本论文第一章首先叙述了课题的研究意义和实用价值；接着给出了国际上 同类研究内容的应用及其研制发展技术情况，以及国内在此方面所做的部分研 究工作；然后给出了课题来源以及论文采用的方案与结构安排。 第二章首先对s o p c 技术进行阐述，接着对f p g a 内部a v a l o n 总线及其外设做 了概述，然后给出了图像增强处理系统设计思路和平台，论述了系统重要组成 部分的结构及工作原理。 第三章论述了图像增强处理系统中各个模块的硬件设计，较深入地分析论 述了图像增强算法的f p g a 设计，并对中值滤波器提出改进设计。 第四章首先对硬件描述语言及开发环境进行介绍，然后对s t r a t i xf p g a 内 部资源进行了深入研究；接着采用v h d l 语言完成图像增强算法模块的实现，给 出实验结果，并对实验结果进行分析与优化设计。 第五章给出对本文的总结与对今后工作的展望。 1 4 本章小结 本章主要叙述了本课题的选题背景及意义，分析了国内外研究现状及发展 趋势，最后给出了论文采用的方案与结构安排。 第2 章图像增强系统总体设计方案 第2 章图像增强处理系统总体设计方案 在计算机视觉领域中，对图像进行增强处理，系统需要采集和处理的图像 数据量大，而图像处理速度将会影响整个系统的性能，快速、实时的图像处理 系统对数据处理设备提出了更高的要求。在目前的视觉检测系统中，图像处理 较多利用高级语言编写的程序对每幅图像进行处理，而图像低端处理的特点是 算法简单，但是数据量大，存在较大的并行性，在计算机中利用软件来实现极 为耗时，对整个视觉检测系统的测量速度造成很大影响。因此，将图像低端处 理即图像增强处理交给f p g a 来完成是一个很好的选择。 本文研究的增强处理方法针对空间域，着重于增强图像对比度、去图像模 糊、去除噪声平滑图像。图像增强算法的优劣并不是绝对的，针对具体应用的 目的和要求，需要使用的具体增强算法也不相同，因此没有图像增强的通用标 准。图像增强处理的效果，除了与增强算法有一定关系外，还与图像的数据特 征有直接关系。因此，我们在实际中应当根据图像数据的特点和工作要求来选 择合适的图像增强处理方法。图像增强处理系统的设计采用s 0 p c 技术，在一块 可编程芯片上集成硬件系统和软件系统，功能模块之间通过f p g a 内部a v a l o n 总线进行逻辑连接。采用f p g a 完成图像增强处理，不仅可以在很大程度上减轻 c p u 负担，而且可以提高增强处理的效率，从而实现硬件加速。 2 1s 0 p c 技术 在二十世纪九十年代末，p l d ( p r o g r a 舢a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器 件) 的复杂度已经能够在单个可编程器件内实现整个系统。完整的s 0 c 系统概念 是指在一个芯片中实现用户定义的系统。在一个s o c 设计中，将涵盖到包括微处 理器、d s p 芯片、存储器件、i o 、控制逻辑、混合信号模块( m i x e d s i g n a lb 1 0 c k s ) 等在内的许多部分o 5 “，。 在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把f p g a 及微处理器的核心内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的s 0 c 系统体系框架 结构，建成所谓的可编程芯片系统s o p c ，从而为系统设计者提供了又一灵活快 第2 章图像增强系统总体设计方案 捷的设计方法与途径。 s o p c 是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过 它，可以很快地将硬件系统( 包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路 等) 和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的i c 设计。这种设计 方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点”“。 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的 开发软件q l i a r t u si i 。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c 。a l t e r a 提供了工具 s o p cb u i l d e r ，它是一个能够生成硬件子系统的集成化工具，s o p cb u i l d e r 包 括两方面的内容：第一，它具有直观的g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，图形 用户接口) ，便于设计者准确地添加和配置系统所需的外设( 包括存储器，定制 外设和i p 模块) ；第二，它包含有系统生成器，会自动完成系统集成工作，这 样设计者不必拘泥于定义存储器映射、中断控制和总线控制这样的工作。 g u i 提供了图形化管理i p 模块、配置系统和报告错误等功能。用户对系统 设置所做的改动，都存储在系统的p t f 文件里面。s o p cb u i l d e r 的g u i 实际上 是一个系统p t f 文件的编辑器。g u i 以直观的方式允许设计者配置复杂的系统。 除了提供软件和集成的o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ，操作系统) 之外，这还包括定 义具有多总线主设备、总线仲裁和d 姒控制的系统。通过这样的“库一表接口”， 它能自动地把部件添加到系统中。用户从有效外设库中来选择，这个库在s o p c b u i l d e r 窗口的左边，如图2 1 所示。 第2 章图像增强系统总体设计方案 图2 1s 0 p cb u i l d e r 界面 然后，外设出现在当前系统的部件表中，这个表在s o p cb u i l d e r 窗口的右 边。每个外设可能会启动一个配置向导，指导用户为这个系统配置外设的功能。 部件表g u i 允许用户输入每个外设基地址和中断优先级( s o p cb u i l d e r 也可以 自动进行分配) 。最后，通过窗口中部的“接插板”功能，设计者可以直观地连 接总线体系，分配从设备端的仲裁优先级。其中，垂直线代表主设备；水平线 代表从设备。接插板让用户制定主设备和从外设之间的连接，还可以为不同的 主设备分配权重。这些权重定义了每个竞争主设备如何访问从设备。 当用系统生成器生成系统时，s o p cb u i l d e r 会生成每个硬件部件以及连接 部件的片内总线结构、仲裁和中断逻辑，创建所有s 0 p cb u i l d e r 的输出文件即 p t f 文件。s o p cb u i l d e r 也会产生系统可仿真的r t l 描述，以及为特定硬件配置 设计的测试平台，能够把硬件系统综合到单个网表中。拥有了这些合适的部件， 自动硬件生成的过程基本就可以完成。s 0 p cb u i l d e r 的两个主要组件和各自的 作用如图2 2 所示。 9 第2 章幽像增强系统总体设计方案 图2 2s o p cb u i l d e r 组件关系和各自的作用 2 2a v a i o n 总线及其外设 2 2 1a v a i o n 总线 a v a l o n 总线是一种相对简单的总线结构，由s o p cb u i l d e r 自动生成，主要用 于连接片内处理器与外设，以构成s o p c ，它描述了主、从构件之间的端口连接 关系，以及构件之问的通信的时序关系。8 “1 。 基本的a v a l o n 总线传输，就是在主、从外设之自j 传输一个字节、字或双字( 8 、 1 6 或3 2 位) 。当一次传输结束后，总线就可以在下个时钟周期进行下一次的传输。 a v a l o n 总线提供多个主设备的操作，这种设计为构建s o p c 系统提供了极大的灵 活性，并且能适应高速外设。a v a l o n 的主、从外设的交互是基于从端口仲裁技 术的，当多个主外设同时访问同一个外设时，由从端口仲裁裁定哪个主外设将 获得访问权。 a v a l o n 总线模块是系统模块的主干，是s o p c 设计中外设之间通信的主要通 道。a v a l o n 总线模块由各类控制、数据、地址信号以及仲裁逻辑组成，使用它 就可以将系统模块的外设连接起来。a v a l o n 总线模块是一种可配置的总线结构， 它可以随着用户的不同互联需求而改变，它可以被看作是连接外设的途径。 1 0 第2 章图像增强系统总体设计方案 2 2 2a v a i o n 外设 a v a l o n 总线上外设可以在片内，也可以在片外。它完成一定的功能，并通 过a v a l o n 总线与其他的系统构件通信，可以根据系统的要求在设计时增加或删 除。a v a l o n 外设包括存储器和处理器，还包括传统的外设，用户逻辑也是a v a l o n 诸多外设之一，只要这种外设能够按照要求提供地址、数据以及控制信号，就 能成为a v a l o n 外设。连接到a v a l o n 总线上的标准外设，都有相应的地址范围或 端口地址，除了a v a l o n 总线信号外，外设还可以拥有自定义的端口，用来连接 系统模块的用户自定义逻辑“硎。 a v a l o n 外设分为主外设和从外设，主外设是可以启动总线传输的外设，它 至少包含一个连接到a v a l o n 总线模块的主端口，它也可以包含一个从端口来接 收由其他主外设对其初始化，并由其他主外设启动总线传输。从外设只能响应 a v a l o n 总线传输，而不能发起总线传输，它通常只包含从端口，用于与总线模 块互连。 2 3 图像增强处理系统设计思路 为了调试上的方便，设计采用p c i 总线接口芯片，它用于连接p c i 总线与 板级局部总线。本文主要完成图像增强处理模块部分的设计与实现。实验系统 中前端图像采集系统将图像数据存入p c 机中，而图像增强处理系统就是读出这 些数据进行增强处理。构建图像增强处理系统试验平台的总体设计思路是运用 f p g a 技术实现以下两个任务：一是图像增强算法；二是与p c 机的总线接口。系 统总体框图如图2 3 所示。 第2 章幽像增强系统总体设计方案 幽2 3 图像增强处理系统总体框图 提高图像增强处理速度是提高系统整体速度的关键。图像增强算法主要指 由f p g a 完成的点运算增强算法、均值滤波算法、去除图像噪声的中值滤波算法 等。在任务可分割的前提下，前端采集部分所采集的图像信息先存入p c 机中， p c i 总线接口则是指在f p g a 与p c 机之间建立连接，将采集的图像数据通过p c i 总线传送至图像增强处理系统中作处理。 设计采用自顶向下功能划分的方法，根据图像处理系统的功能需求，将图像 增强处理系统分为以下几个模块： ( 1 ) 图像采集模块：对前端图像数据信号进行采集； ( 2 ) 图像增强处理模块：对采集进来的图像数据信号进行点运算、均值滤波、 中值滤波等处理； ( 3 ) 通讯模块：通过通讯模块把处理后图像送回到p c 。 s d r a m 用于存储采集进来和处理后的图像数据，首先通过图像采集模块采集 前端图像数据信号，然后把图像数据传送入图像增强处理模块进行增强处理， 最后通过通讯模块把处理完毕的图像送回到p c 机。 2 4 图像增强处理平台 图像增强处理平台主要完成图像的增强处理，图像增强处理模块内部逻辑之 间的连接关系由a v a l o n 总线建立。在板级局部总线与a v a l o n 总线之间建立通 第2 章蹦像增强系统总体设计方案 讯模块，使主机可以通过p c i 总线、板级局部总线和a v a l o n 总线对s o p c 组件 进行访问与控制。s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e 哪o r y ，同步 动态随机存储器) 用于存储处理前、后的图像数据。图像处理模块在有处理数 据的任务或已经处理完毕时，同s d r a m 管理与控制器进行交涉，获取s d r a m 中 的数据或把数据存入s d r 脚，最后将s d r a m 中的图像数据通过板级局部总线到 a v a l o n 总线接口之间的通讯模块传送入p c 。图像增强处理平台如图2 4 所示。 图2 4 图像增强处理平台 p c i 总线是目前应用最广泛、最流行的一种高速同步总线，具有3 2 位总线 宽度，总线时钟频率为o 3 3 m h z ，最大传输速率可达1 3 2 m b y t e s ，且可扩展为 6 4 位、6 6 m h z 主频。p c i 总线与c p u 无关，与时钟频率也无关，因此可以应用于 各种平台，支持多处理器和并发操作。p c i 总线协议比较复杂，因此它的接口电 路实现起来也比较困难。它不但有严格的同步时序要求，而且为了实现即插即 第2 章燃像增强系统总体设计方案 用和自动配置，p c i 接口还要有许多的配置寄存器。 硬件平台采用p c l 9 6 5 6 接口芯片，它是一种6 4 位、6 6 删z 的p c i 接口电路， 该接口电路可提供用于适配卡的小型高性能6 4 位p c i 总线目标接口，可用束为 非p c i 设备和p c i 总线提供数据通道，用于p c i 和嵌入式主机设计。 2 5 本章小结 本章首先对s o p c 技术和a v a l o n 总线做了简要概述，然后给出了图像增强 处理系统的设计思路，接着给出了图像增强处理平台的实现。 1 4 第3 章图像增强处理系统的f p g a 设计 第3 章图像增强处理系统的f p g a 设计 3 1 系统构成模块设计 3 1 1 板级局部总线与f p g a 内部a v a i o n 总线之间的通讯模块 通讯模块负责板级局部总线与f p g a 内部a v a l o n 总线桥之问的通讯。由于 s 0 p c 内部各模块之间的逻辑连接由f p g a 内部a v a l o n 总线桥完成，因此通讯模 块的建立可以允许用户从主机通过p c i 总线和板级局部总线访问该图像增强处 理系统内部组件。该模块作为f p g a 内部a v a l o n 总线桥的一个主控接口，对总 线桥上的从外设进行访问和控制。 3 1 2 流模式存储管理器模块及其控制器模块 1 ，漉模式存储管理器 流模式存储管理器负责对存储图像数据的s d r a m 存储空间做合理的分配， 使待处理数据与处理后的数据分别放置在不同的存储单元，它作为f p g a 内部总 线桥流模式从外设，读写端口的数量可配置，这些读写端口可以以流传输模式 把图像数据从s d r a m 读出或写入s d r a h i 。该模块也可以作为一个c p u 的接口，允 许主机通过a v a l o n 总线接口对存储器迸行读写操作。此外，该模块还对数据 宽度进行匹配处理，解决时钟交叉问题，同时还确保在所有的端口之间进行公 平仲裁。 2 控制器模块 控制器模块作为a v a l o n 总线模块的一个主端口，对a v a l o n 总线具有主控 权，负责流模式存储管理器模块与s d r a m 控制器之间的连接，并协调两者之间 的访问。 该控制器模块与流模式存储管理器模块的工作时钟频率相同，独立于系统 第3 章图像增强处理系统的f p g a 设计 a v a l o n 总线时钟频率5 0 m h z ，被设置在1 0 0 蛐z ，但实际上最大工作频率为8 0 9 0 州z 。 3 1 3s d r 棚控制器 该模块的工作时钟频率独立于系统a v a l o n 总线时钟频率，与流模式存储管 理器模块及其控制器模块的工作时钟频率相同。s d r a m 控制器负责对s d r a m 的访 问与控制。 流模式存储管理器模块及其控制器模块与s d r m 控制器模块之间的连接示意 图如图3 1 所 图3 1 模块之间连接示意图 1 6 第3 章图像增强处理系统的f p g a 设计 3 2 图像增强算法的f p g a 设计 图像增强是一种基本的图像预处理手段，主要目的有两个：一是改善图像的 视觉效果，提高图像的清晰度。“改善”是指针对给定图像的模糊状况以及它的 应用场合，有目的地强调图像的整体或局部特性，例如对图像进行平滑处理可 以使图像的视觉效果得到提高；二是将图像转换成一种更适合于人类或机器进 行分析处理的形式，以便从图像中获取更有用的信息，例如对图像进行锐化处 理可以突出图像的边缘轮廓线，然后用计算机对其进行跟踪，便可做各种特征 分析；又如在计算机自动景物分析中，采用增强技术进行预处理，预处理的结 果直接影响机器感知和理解景物的成败。因此，增强处理技术在医学、遥感、 微生物、以及军事等领域得到了广泛应用。 图像增强是图像边缘检测、分割以及特征提取等技术的基础。图像增强与 感兴趣物体特征、观察者的习惯和处理目的相关，因此，图像增强算法应用是 有针对性的，并不存在通用的增强算法。从纯技术上讲，图像增强技术基本上 可分成两大类：空间域处理法和频域处理法“。1 。 空问域处理法是直接对图像中的像素进行处理，基本上是以灰度映射变换 为基础的，所用的映射变换取决于增强的目的，例如增加图像的对比度，改善 图像的灰度层次等处理均属于空域处理法的范畴。空间域处理法示意图如图3 2 所示。 输入矸 x ，y ) 图3 2 空间域处理法 频域处理法就是在图像的某种变换域内，对图像的变换值进行运算，然后 通过逆变换获得图像增强效果。这是一种间接处理方法，其过程如图3 3 所示。 其中，f ( x ，y ) 是输入图像函数，f ( u ，v ) 是f ( x ，y ) 经变换后的频域函数( 这里不 一定是傅立叶变换，也可能是其他变换) ，g ( u 。v ) 是经过频域处理后的函数， g ( x ，y ) 是g ( u ，v ) 经反变换后得到的空域函数。 1 7 第3 章图像增强处理系统的f p g a 设计 输 3 2 1 点运算增强 图3 3 频域处理法 ) ( ，y ) 一般的成像系统只具有一定的亮度范围，由于曝光不足等因素的影响，图 像常常表现为对比度不强、整体感觉较暗等等。通过对比度调整可以改善这种 状况，使图像动态范围加大，图像对比度扩展，图像清晰，特征明显，大大改 善人眼的视觉效果。点运算处理是一种既简单又重要的图像处理技术，它能改 变图像上像素点的灰度值，是图像增强的重要手段之一。