一．項(xiàng)目概述

　　1.1 項(xiàng)目背景

　　數(shù)字圖像處理自從出現(xiàn)以來,，就一直是前沿的研究學(xué)科,，經(jīng)久不衰,，同時隨著數(shù)字化時代的到來,，市場對于數(shù)字圖像處理的需求也越來越大,。因此,，本項(xiàng)目------基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺主要是為各種需要進(jìn)行數(shù)字圖像處理的設(shè)備和應(yīng)用而設(shè)計的,， 例如,， 醫(yī)學(xué)上的CT， X-ray等圖像增強(qiáng)及處理,； 各種需要支持圖像優(yōu)化的數(shù)碼設(shè)備等,。 同時此平臺也可用于數(shù)字圖像處理相關(guān)課程的設(shè)計參考及教學(xué)演示。

　　1.2 項(xiàng)目優(yōu)勢

　　基于FPGA的多功能數(shù)字圖像采集及處理平臺是一個多用途,，多功能的數(shù)字處理平臺,， 相比于其他同類設(shè)計，有以下優(yōu)勢：

　　1 采用可編程的FPGA進(jìn)行設(shè)計,，便于設(shè)計的更新,，減少因此帶來的升級費(fèi)用；

　　2 本平臺采用硬件實(shí)現(xiàn),，相比于采用DSP的軟件實(shí)現(xiàn)方法,，處理的速度更快；

　　3 各模塊之間相互獨(dú)立,，便于設(shè)計的復(fù)用,，經(jīng)過簡單處理后即可用于其它項(xiàng)目；

　　二．需求分析

　　2.1 功能分析

　　根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計目標(biāo),，本設(shè)計需要完成的功能有：

　?。?） 可以對輸入的數(shù)字圖像進(jìn)行基本的圖像增強(qiáng)，圖像平滑,，圖像銳化,，直方圖均衡化，直方圖標(biāo)準(zhǔn)化等操作,，也可以進(jìn)行頻域相關(guān)的巴特沃思濾波,，高斯濾波等操作。

　?。?） 可以通過組合各種不同的基本圖像處理過程,，完成諸如圖像邊沿檢測等高級處理。

　?。?） 可以輸入CMOS傳感器轉(zhuǎn)換的YCrCb格式圖像數(shù)據(jù),，并轉(zhuǎn)換為RGB格式。

　?。?） 可以通過USB接口提供數(shù)字圖像處理器的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。

　　（5） 可以將處理過的圖像保存在Flash中,，并且能夠通過VGA顯示處理過程中生成的圖像,。

　　三．方案設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　本設(shè)計采用Xilinx公司的Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board開發(fā)板，利用其上的Xilinx Spartan?-6 FPGA (XC6LX16-CS324) 的大容量邏輯資源完成各個模塊,。本設(shè)計總體硬件框圖如圖一所示,。從圖一中可以清楚地知道系統(tǒng)主要由USB設(shè)備控制單元,，顏色空間轉(zhuǎn)換單元，用戶控制輸入單元,，總體控制單元,，雙口RAM控制單元，F(xiàn)lash控制單元,，顯示控制單元和圖像處理單元組成,。

　　系統(tǒng)的工作原理如下所述：總體控制單元根據(jù)用戶控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數(shù)據(jù)源，然后圖像處理單元讀出數(shù)據(jù)根據(jù)用戶控制輸入單元輸出信號對圖像進(jìn)行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中,，由顯示控制單元顯示到VGA上,，并根據(jù)用戶輸入是否保存到Flash中。各單元模塊的具體說明請參考

　　3.2 硬件平臺及資源配置

　　圖一：總體硬件框圖

　　圖一：總體硬件框圖

　　3.2 硬件平臺及資源配置

　　3.2.1 USB控制單元

　　USB控制單元是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源方式之一,，在系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。首先讓我們看一下其組成框圖,，如圖二所示,。

　　圖二：USB控制單元框圖

　　由上圖可知，USB控制單元主要由USB Packet Assemble/Dissemble,，USB PL,，USB FSM，EP Buffer組成,。其中USB FSM主要實(shí)現(xiàn)USB功能設(shè)備,，和Host Computer通信；USB Packet Assemble/Dissemble主要完成USB數(shù)據(jù)包的解包和打包,，USB PL（USB Protocol Layer）實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議,；另外和USB PHY通信的模塊未畫出。

　　3.2.2 顏色空間轉(zhuǎn)換單元

　　顏色空間轉(zhuǎn)換單元完成將CMOS輸入YCrCb格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB數(shù)據(jù)的操作,，其組成框圖如圖三所示,。

　　圖三：顏色轉(zhuǎn)換單元

　　圖三：顏色轉(zhuǎn)換單元

　　由YCrCb轉(zhuǎn)換成RGB的格式如下：

　　R = Y + 1.371 * (Cr - 128);

　　G = Y - 0.698 * (Cr - 128) - 0.336 * (Cb - 128);

　　B = Y + 1.732 * (Cb - 128);

　　由于硬件實(shí)現(xiàn)特殊性，上式改為：

　　R = Y + 1403 * ( Cr - 128 ) /1024;

　　G = Y - 714* ( Cr - 128 ) /1024 - 344 * ( Cb - 128 ) /1024 ;

　　B = Y + 1773 * ( Cb - 128 ) /1024;

　　3.2.3 圖像處理單元

　　圖像處理單元是本系統(tǒng)中最重要的單元,，主要完成數(shù)字圖像處理相關(guān)的工作,，如直方圖均衡化，圖象銳化,，以及頻率濾波等操作,。其框圖如圖四所示：

　　圖四：圖像處理單元

　　圖像處理單元有基本的數(shù)字圖像處理模塊如直方圖均衡化，圖象銳化,，以及頻率濾波等組成,，可以根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行不同的組合來完成特定的任務(wù)或目的（如圖像邊沿檢測等）。

　　3.2.4 其它控制單元

　　其他控制單元如總體控制單元,，用戶輸入控制單元,，雙口RAM控制單元,，F(xiàn)lash控制單元主要完成系統(tǒng)運(yùn)行過程中的控制和流程控制等操作。

　　3.3 系統(tǒng)流程圖

　　由以上系統(tǒng)各模塊的分析,，各模塊功能及系統(tǒng)總體架構(gòu)已經(jīng)有整體了解,，現(xiàn)在就介紹一下系統(tǒng)整體的運(yùn)行流程情況。

　　系統(tǒng)整體流程圖如圖五所示：

　　圖五：系統(tǒng)流程圖

　　上圖是簡化了的系統(tǒng)流程圖,，可以看出系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流經(jīng)的主要路徑,。上電初始化后，根據(jù)用戶控制輸入單元選擇雙口RAM輸入端的數(shù)據(jù)源,，然后圖像處理單元讀出數(shù)據(jù)根據(jù)用戶控制輸入單元輸出信號對圖像進(jìn)行相關(guān)的處理并輸出到顯示RAM中,，由顯示控制單元顯示到VGA上，并根據(jù)用戶輸入是否保存到Flash中,。