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1、基于FPGA的图像中值滤波算法硬件系统实现摘要:介绍一个以XC2S200为核心的视频信号滤波处理系统,该系统为水下图像目标识别和监控提供了一种解决方案,它采用共轭算法对图像进行统一、高效的全局变换,滤波增强效率更高,并且采用Xilinx公司的FPGA芯片XC2S200位处理核心,使得该系统结构紧凑,配置灵活,便于携带。该系统可实时使水下昏暗、模糊的视频图像获得较好的噪声滤波效果,并输出给液晶显示器显示。可应用于水下场景监测或监控,具有很好的市场应用前景。 关键词:FPGA视频信号噪声滤波 :TP399:A:1007-9416(2010)08-0070-01
2、 视频图像处理的应用越来越广泛,各种图像处理算法日趋成熟,相关的硬件技术更是不断推陈出新。本文针对FPGA在视频图像处理上的应用,提出了一种基于滤波处理的视频系统设计方案,并选用Xilinx公司的SpartanII系列FPGA芯片XC2S200为核心,设计实现了系统硬件电路。该硬件平台与相关的算法软件相结合,可实现微光图像增强、视频信号降噪等图像处理。 1XilinxXC2S200[1] XC2S200采用了常规的灵活可编程架构,它主要由4部分组成:包括可配置逻辑块(ConfigurableLogicBlocks,CLB)、嵌入式块RAM(BlockRAM)
3、、数字延迟锁相环(Delay-LockedLoops,DLL)和环绕在CLB四周的可编程输入/输出模块(Input/OutputBlocks,IOB),它们通过多用途布线资源形成强大的互连体系。XC2S200的结构如图1所示。 2基于XC2S200的视频滤波处理系统 2.1系统的原理图 因为国内一般的视频信号都是PAL视频制式[3],它属于基带视频,是一种简单的模拟信号,而FPGA必须处理数字格式信号,因此我们必须利用一块模/数(A/D)转换芯片来将PAL格式的模拟信号转变为标准的数字视频格式ITU-RBT.656。另一方面,为了将经过FPGA处理过的视频
4、信号在显示屏上显示出来,我们还必须利用一块数/模(D/A)转换芯片将数字视频信号再转换为PAL制式的模拟信号。 2.2系统的工作流程 系统复位完成FPGA程序加载后,先由FPGA的I2C总线[4]模块对SAA7111和SAA7128初始化,初始化结束后二者分别等待采集图像和接收图像的命令。初始化成功后,SAA7111实时处理模拟视频信号,输出亮度和色度信号,同时输出点时钟信号,行、场同步信号,行、场参考信号,奇偶场标志信号等。本系统使用灰度图像,没有使用色度信号,所以数据线为8位。系统采集图像的命令由FPGA(实际是由程序确定的)发出,该命令启动FPGA内的采集
5、同步模块。采集同步模块发出采集标志信号,读取一帧图像,通过写数据模块产生写地址和写信号将数据存储到SRAM1中。 2.1.1视频信号的解码/编码 如上所述,视频解码芯片SAA7111主要完成的任务是接收模拟复合视频信号(CVBS)并转换成8-bitITU-RBT.656格式的数字视频;视频编码芯片SAA7128的任务是接收8-bit的ITU-RBT.656格式的数字视频并转换成模拟复合视频信号CVBS。要完成此任务就需要对其内部寄存器进行配置,而配置是软件代码实现的一部分。 SAA7111和SAA7128的内部结构要求对其配置主要是通过I2C总线的控制完成[9
6、][38]。一般通过单片机或FPGA等控制器可以实现对SAA7111和SAA7128的I2C总线的控制。 2.1.2算法模块 算法处理是系统软件的核心部分,不同的算法决定了系统不同的视频图像处理功能和处理效果。对于本系统,主要是采用的是“共轭变换”图像处理算法。 算法模块的实现也是通过一些处理策略来实现的,常用的处理策略有一维图像处理和二维图像处理,其中二维处理的处理结构,又可分为两种方法:并行处理和流水线处理。 2.1.3控制模块 控制模块的设计包括算法内部参数调整模块和分化线产生与调整模块。 对于算法内部参数调整模块的设计,主要考虑两个问题:参数取值
7、的选取;控制信号的保持。对于参数取值的选取,主要根据实验结果,从中选取比较好的对于结果作为控制。由于使用的是非锁按键,所以需要设计一个信号保持电路。 3系统程序的开发 常用的设计输入方式不外乎原理图、硬件描述语言、波形和状态机这四种方式,实际中用的最多的还是硬件描述语言设计输入方法。本系统中大部分的软件结构模块就是通过硬件描述语言设计输入方法来实现的。 由于本系统的中央处理芯片采用的是Xilinx公司的FPGA,而Xilinx公司的PLD开发工具ISE提供VHDL/Verilog的子集。因此可根据个人喜好自由选用VHDL硬件描述语言或VerilogHD
