圖像邊緣檢測算法的硬件實現方法研究

電子通信論文編號:TX280  論文字數:24714,頁數:48

目  錄
第一章 緒論 6
1.1 選題背景及意義 6
1.2 當前研究現狀 7
1.3 本文的組織結構 7
第二章 設計環境 8
2.1 硬件環境 8
2.1.1 FPGA簡介 8
2.1.2 FPGA的開發流程 9
2.1.3本系統所選用的FPGA芯片 9
2.1.4 SAA7105簡介 11
2.1.5 SAA7105的主要特點 11
2.1.6 TVP5150A簡介及特性 11
2.1.7 硬件環境整體描述 12
2.2 軟件環境 12
2.2.1 FPGA集成開發環境Xilinx ISE 12
2.2.2 仿真工具ModelSim 13
2.2.3 FPGA調試工具ChipScope Pro 16
2.2.4 軟件設計流程 17
第三章 系統結構及模塊劃分 20
3.1 系統結構概述 20
3.1.1 I2C寄存器配置部分主要功能 20
3.1.2 視頻輸入及存儲部分主要功能 20
3.1.3 視頻數據處理部分主要功能 21
3.1.4 輸出時序發生兼數據輸出部分主要功能 21
3.2 模塊劃分 21
第四章 模塊詳細設計 23
4.1 I2C寄存器配置模塊 23
4.1.1 I2C總線介紹 23
4.1.2 I2C寫配置寄存器模塊的頂層結構 25
4.1.3 I2C_write模塊的實現 26
4.1.4 I2C_reg_ram_write模塊的實現 27
4.1.5 I2C_top模塊的實現 27
4.1.6 I2C配置模塊的調試 27
4.2 VIU視頻輸入單元模塊 28
4.2.1 視頻輸入格式BT656簡介 28
4.2.2 視頻輸入單元模塊的具體實現 30
4.2.3 視頻輸入單元模塊的調試過程 31
4.3 VOU視頻輸出單元模塊 31
4.3.1 RGB565簡介 31
4.3.2 VOU_top和RGB_top模塊的具體實現 31
4.3.3 視頻輸出單元的調試 33
4.4 YCbCr2RGB圖像處理模塊 34
4.4.1 基于Sobel算子的邊緣檢測算法 34
4.4.2 本設計所采用的Sobel算子邊緣檢測算法的流程圖 35
4.4.3 YCbCr2RGB模塊的具體實現 36
4.4.4 YCbCr2RGB圖像處理模塊的調試 38
第五章 仿真和驗證結果及分析 39
4.1 I2C模塊仿真結果 39
4.2 視頻輸入模塊仿真結果 39
4.3 視頻輸出模塊仿真結果 40
第六章 結論 41
謝辭 43

摘要

 本文主要描述了如何使用基于Xilinx公司的Spartan-3A DSP1800A FPGA芯片的Aquila開發板完成一個實時視頻處理的系統。該系統的視頻采集使用PAL制式CCD攝像頭，視頻信號輸入的A/D解碼芯片為TI公司的tvp5150a芯片。輸入的模擬視頻信號經過A/D解碼轉換為符合PAL制式的數字視頻數據進入FPGA。FPGA對數字視頻數據進行處理后，將處理后的視頻數據以RGB565標準的格式輸入視頻編碼芯片Philips公司SAA7105芯片。并由該芯片完成D/A轉換后將結果輸出至VGA接口，接顯示器顯示。即完成了一個實時視頻采集、處理即顯示的硬件系統。其中tvp5150a和SAA7105兩塊芯片需要利用I2C總線對其功能進行配置。本文描述了該系統對視頻數據采用基于Sobel算子的邊緣檢測處理的方法，通過實現對采集到的視頻數據進行基于Sobel算子的邊緣檢測并實時顯示，展現了該系統的實用性。本文中所描述的系統亦可實現多種基于單幀圖像的圖像處理，具有較強的適應性。且本系統具有較好的實時性。本文探討了如何定義FPGA中整個系統的架構以及具體的模塊劃分，并闡述了各個模塊實現的方法以及調試的過程。重點討論了在調試過程中遇到的一些困難及解決方法，希望能夠對以后的開發者能有所幫助。
 
 關鍵詞：FPGA，Spartan-3A DSP1800A，PAL， I2C，sobel算子
 
Real-time video processing system for hardware design based on FPGA

ABSTRACT

 This paper mainly described how to use the Aquila development board based on Xilinx’s Spartan-3A DSP1800A FPGA chip to complete a real-time video processing system. This system uses the PAL standard CCD video camera to complete Video signal collection. The Video signal is the input signal for TI’s tvp5150a chip which is an A/D converter and a video decoder. The decoder converts the analog video signal into digital video data with PAL format and sends the data into FPGA. Processed by FPGA, the digital video data is sent to the Philips’s SAA7105 video encoding chip in the RGB565 format. After the D/A conversion finished by the SAA7105 chip, the result show on a monitor through the VGA interface. That is a complete real-time video collection, processing and display hardware system. The tvp5150a and SAA7105 chip need to be configured by I2C bus. This paper describes how to use this system to detect the edge of the video based on sobel operator and demonstrates the usefulness of this system. The system described in this paper can achieve a varitey of image processings based on one frame, and has strong adaptability. And this system has a good real-time process ability. This article discusses the structure of the whole system in the FPGA, how to define each module’s function, how to finish every module and how to commissioning this system. This paper focused on the process of commissioning, and the difficulties encountered and the solutions, hoping to help the future developers.

Key words: FPGA，Spartan-3A DSP1800A，PAL， I2C，sobel operator