FPGA在图像处理系统设计与仿真中的应用

刘　萌

摘 要：图像处理技术在现代社会发展中具有重要的作用，随着现代科学技术水平的不断提升，图像处理技术也获得了较大的进步。基于FPGA的图像处理技术具有开发成本低、灵活性强以及维护费用低等优势，能够很好地满足现代图像处理技术的要求。为此，本研究设计了以FPGA为基础的图像处理系统，选用OV7670型号的图像传感器以及Artix 7系列的FPGA芯片，建立完整的图像处理系统，并对系统组成结构中的I2C控制模块以及窗模块进行设计与仿真模拟，最后对仿真结果进行分析，使得设计完成的图像处理系统满足使用要求。

关键词：FPGA;图像处理;设计;仿真

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）35-0015-03

Application of FPGA in Design and Simulation of Image Processing System

LIU Meng

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shangluo University，Shangluo Shaanxi 726000）

Abstract： Image processing technology plays an important role in the development of modern society. With the continuous improvement of modern science and technology， image processing technology has also made great progress.FPGA-based image processing technology has the advantages of low development cost， strong flexibility， and low maintenance costs， and can well meet the requirements of modern image processing technology.To this end， this research designed an FPGA-based image processing system， selected an OV7670 image sensor and an Artix 7 series FPGA chip to build a complete image processing system， designed and simulated the I2C control module and window module in the system composition structure， and finally analyzed the simulation results to make the designed image processing system meet the requirements for use.

Keywords： FPGA;image processing;design;simulation

随着科学技术的不断发展，我国在图形获取和处理方面获得了非常大的进步，出现了各种各样的图像处理技术，现阶段典型的ASIC芯片、ARM芯片等都能够较好地完成图形处理工作。ASIC即专用集成电路，该技术的优势在于能够快速处理实时图形，并且相比较于FPGA具有更高的处理效率，然而ASIC也存在较大的缺陷，如研发难度大、占用资金多、产品定型后无法更改以及适应性低等[1]。此外，现有的ARM、DAP芯片技术还不支持实时运算效率高的集成电路，也就无法很好地兼容ASIC。FPGA能够依照使用工况进行设计方案的变更，融入流水线以及并行处理技术，能够在图像处理上获得较大的提升，同时具有开发成本低、灵活性强以及维护费用低等优势，非常适合现代图像处理技术的要求。为此，本研究以FPGA为载体的图像处理系统，并利用试验模拟的方式验证其有效性。

1 系统整体组成与工作方式

为了确保设计的系统具有更高的真实性，本研究选用OV7670型号的图像传感器，其基本参数为：感光阵列为640×480、模拟电压为2.5～3V、工作温度为-30～70℃、视场角为25°[2]、最大帧率为30帧/s，图像处理以及相关的控制模块选用美国Xilinx公司生产的Artix 7系列的FPGA芯片，型号为XC7A200T-2FFG1156C，该芯片速度等级为7级，额定工作频率为280MHz[3]。同时，选用DAP芯片负责储存图像文件，待图像处理工作完成以后将信息传输到VGA显示模块上，并将最终图像显现出来。系统整体组成如图1所示。

上述系统在进行滤波操作时有别于常规的滤波方式，采用了运算效率高的中值滤波算法，并结合了多级流失算法，使得计算效率获得了质的提升。在进行边缘测试时，主要是基于Sobel算子来完成X轴线与Y轴线上的导数量计算，再将计算得到的两个导数值绝对值化后取两者之和，该数值则为中心像素点的近似梯度[4]。完成上述步骤以后，将已经处理结束的图像数据资源储存到DAP中，以乒乓手法为基础，基于FIFO行缓存的办法，最终使得DAP中处理结束的图像能够在VGA显示模块中显现出来。

2 系统关键模块设计与仿真研究

2.1 I2C控制模块设计与仿真情况

I2C控制模块功能的实现需要从控制模块、功能模块以及ROM模块三个方面進行[5]。功能模块的工作职责是实现数据信息的串并联切换，以系统需求为导向将转入控制模块的信息切换为SDA/SCL电平的上下波动;之后控制模块以状态机为介质将ROM模块中处理结束的数据资源调取出来，同时将调取出来的数据信息发送到功能模块，并进行激励信号的发送，确保功能模块能够正常运行[6]。

在进行I2C控制模块的仿真工作时，需要向模块发送一串仿真波形，同时完成一次写操作步骤。首先确定信号的初始状态值，即SCL处于高电平位置，而SDA处于低电平位置;其次，输出10bit模块地址，使得设备能够顺利接收到反馈信号ACK;然后，输出10bit寄存器地址，使得寄存器能够顺利接收到反馈信号;最后，当SCL处于高电平位置时，提升SDA电平值，完成一次写操作[7]。

2.2 窗模块设计与仿真分析

图像处理系统中许多功能的实现都需要建立在滑动窗的基础上，如中值滤波以及边缘检测等。在进行窗模块的设计时，先选用一个窗，窗的表现形式可以为由多个点组成的可变长度以及外形的领域，从而得到指定的计算算法。窗外形尺寸可以根据用户需求进行自定义，一般情况下，窗的外形尺寸数值取奇数值，本图形处理系统选取的窗尺寸为5×5的正方形窗，这时候，每个点周围都会有24个邻点，对每个点和周围的邻点运用新缓存以及列同步的方式进行图形信息计算[8]。

在进行窗模块的仿真分析时，确定行缓存的大小和类型分别为1 024byte大小的FIFO，先使用两个行缓存来完成开始两行的数据信息，在第三行数据信息导进来以后，以列同步模块为基础，将5×5窗内25个像素灰度数值一起发送出来，采用这种方式进行剩下行数据信息处理。利用对读写FIFO行缓存的管控，确保当前的数据资源一直保持为现有导出行的前两行的图形数据信息，从而确保每次导出数据的数量恒定为25，总体呈现出流水的框架形式。

3 仿真结果分析

本文中，基于FPGA设计的图像处理系统需要处理的数据信息量较大，所以选用Xilinx公司生产的Artix 7系列的FPGA芯片，型号为XC7A200T-2FFG1156C，并基于硬件逻辑的理念实现对多个图像数据的并行处理，能够在极短的时间内完成数据运算工作。为了确保图像处理模块能够发挥出应有的效果，将一个分辨率为800×600的10bit灰度级的照片导入仿真系统中，同时对处理模块中的相关控制字进行设定，计算方法基于中值滤波与边缘检测算法，在完成上述步骤后得到模拟后的照片。模拟前后的照片对比如图2所示。

（a） 仿真前

（b） 仿真后

图2 采用中值滤波与边缘检测仿真前后图片对比

4 结语

图像处理技术在许多行业领域发挥了非常大的作用，伴随着现代图像处理要求的越来越高、圖像处理数据量的逐步增大，人们要对图像处理技术进行创新。基于FPGA的图像处理系统具有高效率、低成本、灵活性高的处理特征，具有非常好的应用价值，加强对FPGA技术的研发有助于推动图像处理技术的进一步发展。

参考文献：

[1]于洪松，韩广良，孙海江，等.基于CPCI总线的FPGA+DSP架构通用视频图像处理系统的设计[J].液晶与显示，2015（2）：333-339.

[2]樊博，王延杰，孙宏海，等.FPGA实现高速实时多端口图像处理系统的研究[J].液晶与显示，2013（4）：620-625.

[3]张向阳，程勇策，曲思潼.基于DSP+FPGA的Camera Link接口相机的图像处理平台设计[J].电视技术，2013（15）：215-219.

[4]沈淦松，叶玉堂，刘霖，等.FPGA软硬件协同处理实时图像处理系统[J].光电工程，2012（10）：143-150.

[5]陈伟，段发阶，董宇青，等.基于DSP+FPGA分层图像处理技术的智能相机设计[J].传感器与微系统，2010（12）：111-113.

[6]彭小军，颜露新，钟胜，等.基于DSP+FPGA+ASIC的实时红外图像处理系统[J].微计算机信息，2007（23）：199-201.

[7]胡亮，段发阶，丁克勤，等.基于FPGA图像处理技术在钢板表面缺陷检测系统中的应用[J].传感技术学报，2006（3）：694-696.

[8]应家驹，何永强.基于DSP和FPGA的超大视场红外目标检测图像处理系统设计[J].微计算机信息，2006（8）：161-162.