基于FPGA的测试图像采集系统的设计

论文题目名称（或范围） 一种基于FPGA的测试图像采集系统的设计 本人已查阅过哪些科研资料及调研情况： 1.通过知网查阅近几年国内有关基于FPGA图像采集系统的优秀硕士论文以及相关的期刊，对图像采集系统的架构有了一定的了解。 2.通过IEEE&EI网站获取到国外图像采集系统的发展趋势。 3.阅读了有关嵌入式开发书籍，对在嵌入式平台进行开发有了一定的了解。 4.正在学习算法&EDA技术书籍，为编程和图像比对的算法的研究打下基础。 课题的意义及我国在这方面已进行的工作情况： 测试对于电子产品非常重要，如果测试程式或者测试人员无法检测出不良品，将使不良品流入市场。其中有些不良，会影响产品的正常使用，从而降低用户的满意度，用时也会削弱品牌价值和产品信誉度，这些绝对是电子产品生产商所不愿意看到的。目前国内需要进行视频&图像输出检查的大部分的电子产品的测试，一般都采用作业员检查的方式进行，测试人员主观判断输出视频&图像的正确性，产品的品质由人员主观判断决定，导致了不良品流入市场的可能性。也有少部分生产商引入图像采集系统，这种方法效率高，并且能保证产品的品质。事实已经证明采用图像采集系统来进行输出视频&图像的判断不仅节省了人力成本，而且使产品品质更加稳定。 目前国内生产商所采用的视频&图像输出检测系统中使用的图像采集卡基本依赖进口。而国外生产的数字图象采集卡的弊端有： 1.基本上都是通用图像采集卡，尽管其功能十分丰富，但实际生产过程中应用到的功能十分有限，为后期的应用程序的编程增加了很多不必要的工作。 2.由于功能多所以相应的其价格较高，即性能价格比不高。 3.没有数据预处理能力，不能达到更高的效率。 国外的研究动态及发展趋势： 随着微电子技术和视频图像处理技术的发展，出现了采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统。随着DSP芯片集成度和运算速度的大幅提高以及价格的大幅降低，DSP芯片成为脱机图像系统的主流处理器。美国Tl公司的DSP及其图像处理平台在世界市场上处于主导和领先地位。 现代大容量高速度的FPGA以及相应SOPC技术的出现，为图像采集和处理夕提供了一种新的解决方案。在这些FPGA中，一般都内嵌有可配置的RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等模块。用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的“DSP系统”非常易于修改和测试。目前，在图像方面已经有很多成熟的 IPCore，如ZD滤波器、ZD快速傅立叶变换、颜色空间转换、JEPG图像编解码器等。利用FPGA来实现“DSP系统”己十分普遍，应用在诸如实时图像处理、联合战术无线电通信系统等。FPGA实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好:以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行的方式来完成控制和运算步骤的，而用HDL语言描述的系统是以并行方式工作的。目前，国内外对基于FPGA这种“虚拟SOC”的需求将呈上升趋势。 开 题 报 告 a. 选题的依据、意义。 b. 课题进行的途径、步骤的设想。 c. 需使用的仪器，一般应以选择本校现有仪器及设备为主，估计需要经费多少？ d. 课题进行时可能出现的问题及准备采取的应变措施。 一. 选题的依据、意义。 随着数字多媒体技术的不断发展，数字图像处理技术被广泛应用于各种军用、民用、商用及工业生产领域中。图像处理技术的日益普及是和图像处理系统的不断完善分不开的。图像处理系统一般包括两个部分：图像采集部分和图像处理部分。图像采集部分由专用的视频处理器、图像缓存和控制接口电路组成。它的主要作用是将模拟视频信号转化为数字图像信号，并将这些数字图像信号传送给计算机或者专用的图像处理器件进行处理。图像处理部分可以是计算机，也可以是专用图像处理器件，或者是两者的结合。专用的图像处理器件主要有专用集成芯片(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)、数字信号处理器(DSP,Digital Signal Process)和现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)以及相关电路组成。它们可以实时高速完成各种图像处理算法。近年来，微电子技术和超大规模的集成电路制造技术的发展，特别现场可编程门阵列FPGA的发展，为提高图像处理系统各种性能提供了新的思路和方法。一般地，图像处理大致可以分为低级处理和高级处理：低级处理的数据量大，算法简单，存在着较大的并行性；高级处理的算法复杂，数据量小。在图像处理的实现手段上，图像低级处理阶段，利用软件来实现是一个很耗时的过程，但是利用硬件实现，就可以对大量数据进行并行处理，能够极大的提高处理速度；而图像高级处理阶段，利用软件来实现则具有较高的性价比。因此，图像处理系统中可以利用高速硬件模块(如FPGA)承担图像低级处理任务。这样对大量图像数据进行了低级处理，使系统在减少数据传输量的同时还极大的提高了实时性能。 图像处理技术的日益普及是和图像处理系统的不断完善分不开的。在图像处理系统中，关键技术是实时图像的采集和处理，图像采集的速度，质量直接影响到这个系统的使用是否成功。图像处理系统的发展大致分为三个阶段: 第一阶段大体上是20世纪60年代末到80年代中期，当时的代表产品是美国和英国的一些公司推出的各种图像计算机以及图像分析系统。由于这些系统采用机箱式结构，所以系统的体积比较大，虽然功能比较强，但价格比较昂贵。在中国，图像处理系统的研制起步比较晚，主要有清华大学的研制的图像采集系统和图像计算机。同样是采用机箱式结构，主流计算机采用小型机。 第二阶段是从80年代中期到90年代初期，该阶段的特点是小型化，外部结构不再是机箱式而是插卡式。通过把图像卡插到计算机内，即可和计算机构成图像采集系统。在国内，80年代末到90年代初，中科院自动化研究所和清华大学都成功研制一系列的图像采集卡。由于图像卡体积小、价格低、使用方便，所以很受用户欢迎。这阶段的图像卡大都开始采用大规模集成电路甚或是专用集成电路。这阶段特点是:主流机采用PC，计算机总线采用ISA总线。 第三阶段是从90年代初开始，这阶段的产品出现两大类，一种仍是采用插卡式，随着PCI总线技术的成熟，采用PCI总线的产品逐步取代采用ISA总线接口的产品。在国内，很多公司等都推出各自的PCI图像卡产品。该类产品的特点是:采用PCI总线，在Windows平台上编制图像处理软件。另一种图像卡是采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统。随着专用集成芯片(ASIC)、数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)芯片集成度、运算速度的大幅度提高，价格大幅度降低，这些芯片成为脱机图像系统的主流处理器。进入20世纪以来，以DSP、FPGA、CPLD等嵌入式芯片为核心的图像处理系统得到了迅速的发展。与传统PC机进行图像处理相比较，嵌入式图像处理系统具有以下优点: (l)将各种图像处理功能集成在某块芯片或某个片上系统中，体积小，便于携带和户外操作。 (2)随着嵌入式芯片内部资源的日益丰富，系统处理图像的速度越来越快，更多复杂的算法能够移植到嵌入式平台上实现，无需借助于PC机和其他外部资源。 (3)与传统PC机相比，嵌入式图像处理系统价格低廉，适合批量化生产。 (4)嵌入式图像处理系统通常可以进行二次开发，且开发周期相对较短，既节约了开发成本，又能满足市场的新要求和新变化。 (5)系统的可靠性有了很大提高。与PC机相比，嵌入式图像处理系统所用器件数量少，系统规模小，布线得以简化，提高了系统的可靠性和稳定性。 目前国内需要进行视频&图像输出检查的大部分的电子产品的测试，由于考虑到开发成本和设备成本，一般都采用作业员检查的方式进行，测试人员主观判断输出视频&图像的正确性，产品的品质由人员主观判断决定，导致了不良品流入市场的可能性，且在工业控制中也无法实现自动化。本课题以多媒体掌上游戏机为例，产品的视频输出测试的方法：在视频输出的模式下通过对输出信号进行处理输出Composite, Component, S-Video信号，人员手动控制治具依次切换，并一一确认在这三个通道下输出的画面是否正常，这种测试方式虽然测试简单，但人员长时间观看同一画面极易产生视觉疲劳，无法保证产品的品质，且人员的工作效率较低，要改变这种不好的现状，提高人员的工作效率，使测试更人性化，必须对其视频&图像输出的测试系统实施优化，可在测试过程中引入图像采集系统，分别对各个通道下的画面进行采集，并与事先存在Flash中正常画面的数据进行比对，可在确保产品品质的同时，开发出相应的自动化测试系统，实现视频&图像输出测试自动化。 目前市场上的采集卡均为通用采集卡输入通道较为单一，无法涵盖Composite, Component, S-Video等通道的图像采集，并且有关图像的采集均通过编写软件来完成，以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行的方式来完成控制和运算步骤的，而用HDL语言描述的系统是以并行方式工作的,因此开发一个基于FPGA的图像采集系统，通过对FPGA程式的修改完成测试的需求。 随着当今科学技术的迅猛发展，数字图像处理技术正在各个行业得到广泛的应用，而FPGA技术的不断成熟改变了通常采用并行计算机或数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等作为嵌入式处理器的惯例。可编程逻辑器件(FPGA)凭借其较低的开发成本、较高的并行处理速度、较大的灵活性及其较短的开发周期等特点，在图像处理系统中有独特的优势。 二. 课题进行的途径、步骤的设想。 1.课题的研究内容及研究方案 本课题以视频&图像输出的测试系统的硬件架构为研究重点，针对图像的采集以及其判定方式为研究对象进行研究。以对多媒体掌上游戏机的视频&图像输出的测试系统的优化为例，在测试过程中引入基于FPGA的图像采集系统，可在确保产品品质的同时，开发出相应的自动化测试系统，实现视频&图像输出测试自动化，降低测试成本。 2.课题进行的步骤设想 科研论文工作的总工作量（估计）、分研究阶段的进度（起迄日期）和要求。 （1）理论研究：包括文献调研，理论推导，数值计算，理论分析，撰写论文等； （2）实验研究和工程技术研究：包括文献调研，理论分析，实验设计，仪器设备的研制和调试，实验操作，实验数据的分析处理，撰写论文等。 2010.11~2011.3 查找文献、资料，阅读相关论文、论著； 2010.12~2011.3 图像采集算法的研究以及实现； 2011.3~2011.6 程序编写并进行编译调试； 2011.6~2011.9 算法移植并进行程序优化、发表论文； 2011.9~2011.12 学位论文的撰写及论文答辩 3.预期的研究成果 1.在PC机上实现图像采集算法； 2.用C语言编写程序并进行编译，实现算法的移植、优化； 3.发表一篇相关论文； 三. 需使用的仪器，一般应以选择本校现有仪器及设备为主，估计需要经费多少？ 主要仪器设备： （1） 电脑一台； （2） 摄像机一台 （3） FPGA开发板一块 四. 课题进行时可能出现的问题及准备采取的应变措施。 1.图像采集处理系统架构的设计方案，以及各模块的详细划分 通过查阅资料，分析图像检测技术的特点，总结适合图像检测的方法，从而确定图像检测系统的设计方案。整个硬件系统分为电源模块，前端图像采集模块，FPGA图像处理模块，存储器模块和微控制器模块。 2.FPGA硬件选型 目前有两种方案： 方案一：采用Altera公司的Cyclone芯片。该单元由采集模块、异步FIFO模块、解码模块、I2C配置接口模块、图像帧存控制模块、图像低级处理模块、通信接口模块和FPGA配置电路组成。 方案二：（备用）选择xilinx公司的XC3系列芯片。 3.判断方式的选择及规格范围的确定 判断方式：目前设想图像各点逐一比对。 规格范围：通过不断的实验确定图像中各个点的规格范围。

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