基于FPGA的图像预处理系统设计

刘心刚，郭飘，聂江华，喻小龙

（1.中国航空工业集团雷华电子技术研究所，无锡214063；2.南昌航空大学，南昌330063）

0 引言

在如今的互联网信息时代，图像处理技术对人们来说有着重要意义。人们通过图像直观地感受世界，获取图像中隐含的信息。在各行各业中，图像信息发挥着重大作用。在采集图像和处理图像的过程中，存在图像获取方式的影响，造成了获取的图像产生噪声或发生畸变等意想不到的结果。因此，对图像进行预处理变得尤为重要。由于嵌入式的图像处理系统处理速度缓慢，为了更好地满足系统实时性，需要找出一个实时性好、处理效果好的硬件平台。在众多的硬件平台中，本文结合FPGA的性能特点，以Zynq V7000 FPGA芯片作为硬件平台，结合相应的图像预处理算法来实现的一个系统，Zynq将FPGA和ARM有机地结合起来，能够实现独特和差异化的系统功能，在其相应的开发环境Vivado中，对FPGA的串口、缓存区等进行配置，搭建一个适应FPGA运行的框架，再针对ARM做内部的编程，实现预处理算法的功能，实时处理图像数据。

1 系统总体设计

结合Zynq V7000 FPGA芯片的特点，基于Zedboard系统实现图像预处理。系统整体流程图如图1所示。

图1系统整体流程图

2 软件设计

2. 1 上位机设计

上位机通信程序使用的是MFC界面库进行开发的，以对话框的形式呈现。主要实现的功能有：打开图片文件，在编辑框中显示选择的文件路径，在图片控制框中显示处理前图片。在串口的选择时首先对串口进行扫描，将打开的串口在Combo Box的下拉框中添加其串口号即可完成串口的选择。在波特率的选择上，首先在初始化时将常用的几个波特率添加到波特率选择的下拉框中，当选择其中的一个波特率时，直接读取当前选取的波特率。同样地，预处理算法的选择框在初始化时添加本课题使用的预处理算法，将选中的索引获取，赋予每个算法一个编号，便于给FPGA发送选择的预处理算法，等待处理完成后在处理后图片显示框中显示处理后的图片。为了提高整个系统的运行性能，加入了多线程和用户自定义消息处理机制。图2为上位机与FPGA通信界面。

图2上位机与FPGA通信界面

2. 2 上位机与FPGA通信算法

上位机与FPGA是通过串口进行通信的。上位机主要执行流程为选择需要进行预处理的图片文件，设置串口参数，获取预处理算法编号，发送预处理算法编号，发送图片大小，发送图片数据，等待FPGA处理完成发送回数据，接收处理之后的图片大小、图片数据，再显示处理完成的图片。图3为上位机流程图。

2. 3 预处理算法

在本文中，主要设计的是对图像进行预处理，使用的算法有图像的均值滤波、几何畸变校正以及边缘检测。本文只介绍几何畸变校正。

在通过数码相机获得图形时，由于相机镜头本身的构造原因，会导致图像的几何畸变，一般都是因为光学的成像系统与理想的情况不一致，尤其在广角镜头下，拍摄图片时会导致图像的边缘形成严重的畸变现象，这种非线性畸变是非常难去除的。因此，一种好的几何畸变校正方法对人们用数码相机拍摄的成品能起到很大的作用，对景物的记录、对信息的读取都有很大的帮助。

图3上位机流程图

几何畸变校正是将畸变图像的坐标经过几何变换后校正成正常坐标。几何变换有以下两个步骤：一是空间变换，二是灰度插值。空间变换是为了找出畸变图像和正常图像像素点之间的对应关系，对畸变图像每一个点坐标进行修正得到在正常图像中的精确对应位置；灰度插值是为了计算出精确的灰度值，由于正常图像中对应的坐标往往不是整数，因此需要使用插值算法拟合出该点的准确灰度值，这样便可以完成整个的畸变校正过程。此过程如图4所示。

图4几何校正流程图

3 系统调试

上位机与FPGA通信使用的是串口通信，通过串口发送和接收数据。下面通过系统调试验证上述3种预处理算法，本文只介绍几何畸变校正调试结果。几何畸变校正效果图如图5所示。

图5几何畸变效果图

由图5的效果图可见，系统可以正常地实现算法，可以实现将产生几何畸变的图像校正为正常图像，由此可见系统调试成功。

4 结语

本文完成了一个基于Zynq的图像预处理系统，具体为上位机选择相应的下位机通信串口号、通信比特率等设置后，选择需要处理的图片和测试的算法后，点击处理按钮上位机将通过串口把图像数据发送给FPGA；FPGA接收到图像数据后，对图像数据进行初始的处理，再对选择的相应的算法进行处理后，得到的结果图像数据通过串口传送回上位机；上位机接收到结果后，把结果进行保存和显示。