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基于FPGA的实时图像处理系统的设计与实现

刘开健  
【摘要】:机器视觉处理系统以其非接触、抗干扰性强、实时性、灵活性和精确性等特点,被广泛应用于目标识别与跟踪、工业检测等领域。本文为了解决目前检测设备和系统存在的不足,利用现有成熟的技术构建了新型的视觉检测系统,有着显著的研究和实用意义,以及极大的应用前景。 本文分析了适合视觉检测的图像处理算法对系统实时性能的影响,为了解决处理的实时性问题,提出了并行处理的方法,采用可并行处理器件进行图像检测处理。由于信号运算与处理单元是整个系统的核心部分,运算量非常大,传统方法不能满足真正实时要求,本文通过对现场可编程逻辑阵列(FPGA)器件的结构和工作方式的分析,利用FPGA进行信号的运算和处理,得出FPGA在实时性要求较高的处理场合具有速度和资源优势。 利用先进的FPGA开发工具System Generator对图像处理算法进行了系统级建模和仿真验证,自动生成适合硬件实现要求的文件,省去了繁重的编写VHDL (Verilog)代码和修改过程,提高了开发效率,缩短了开发周期。 根据开发环境和图像处理板卡系统的功能特点,将功能实现进行了合理的软硬件划分,完成了上位机与下位机之间的实时通信和处理。针对系统的核心(图像预处理)部分,在FPGA设计中,实现了预处理的快速中值滤波和边缘检测的硬件电路,将流水线处理技术和并行处理等技术应用到电路设计中,提高了处理速度,节省了硬件资源。最后,设计了简单的上位机控制软件,对设计的预处理电路进行了实验验证,并且实现了上、下位机联合调试,结果表明,基于FPGA的图像处理硬件算法实现电路能够满足系统功能和速度上的要求,达到了预期的效果,具有较好的实用参考价值。 本文对FPGA的高性能开发工具System Generator实现高速数字信号处理的快速设计作了探索和尝试,对今后完成以FPGA为核心的快速实时信号处理的设计与开发有着积极的意义。


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