基于FPGA的图像边缘信息提取实现开题报告.docx

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基于FPGA的图像边缘信息提取实现开题报告

中国科学技术大学软件学院

软件工程实验项目环节

开题报告

项目名称：

FPGA的图像边缘信息提取实现

成员名单：

诸葛瑜亮张广帆姜中正

导师：

翟建芳

工程领域：

视频图像处理

研究方向：

视频采集，图像处理

开题时间：

2012年11月29号

中国科学技术大学软件学院

填表日期：

2010年11月29日

一、简况

名称

中文

基于FPGA的图像边缘信息提取实现

英文

FPGAbasedontheimageedgeinformationextraction

项目组成员名单

姓名

学号

项目中的分工

签章

诸葛瑜亮

SA12226293

负责视频图像的提取

张广帆

SA12226269

中值滤波的调研、理解和实现

姜中正

SG12225033

边缘检测的调研、理解和实现

中英文摘要

视频图像处理作为一种重要的现代技术，已经在通信、航天航空、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等领域得到广泛的应用。

视频图像处理特别是高分辨率图像实时处理的实现技术对相关领域的发展具有深远的意义。

随着科学技术的进步，视频图像的采集和处理的应用需求也日益增加。

传统的采集和处理主要依赖于PC机，以及其它的专用的集成电路板来实现的，由于功能比较单一，体积较大，且受到处理速度的限制，已经逐渐不能满足实际的要求。

由于FPGA的技术发展很快，运算能力不断增强，运算速度越来越快，成本也在不断降低。

目前FPGA的技术已经广泛地应用在各个领域中，从军事到民用，从航空航天到生产生活，都越来越多地使用FPGA。

因此，本设计的视频采集与处理系统采用了可编程逻辑器件FPGA，来完成视频图像的传输。

选取了适合实际需要的当前业界内运算速度较快的算法。

FPGA上Verilog程序功能的模块化和可复用性，可以提高设计效率，从而得到可靠而优化的设计。

Videoimageprocessingasoneofthemostimportantmoderntechnology,hasbeeninthecommunications,aerospace,military,remotesensing,biomedicine,informationsecurityandotherfieldswhichhaveawiderangeofapplications.Especiallyforhighresolutionimageandtherealizationofrealtimeprocessingtechnologyonareas,Videoimageprocessinghasadevelopmentoffar-reachingsignificance.

Withtheprogressofscienceandtechnology,videoimageacquisitionandprocessingoftheapplicationdemandalsoincreasesincreasingly.ThetraditionalcollectionandtreatmentdependsmainlyonthePCmachine,andotherspecialintegratedcircuitboardstoachieve.Becauseofitssinglefunction,largevolume,andprocessingspeedlimitations,ithasbeengraduallycannotmeettheactualrequirements.FPGAtechnologyisdevelopingveryfast.Ithasfastcomputingpower,andlowcost.ThecurrentFPGAtechnologyhasbeenwidelyappliedinvariousfields,frommilitarytocivilian,fromaerospacetoproductionandliving,areincreasinglyusingFPGA.

Therefore,thedesignofvideocollectionandprocessingsystemusesaprogrammablelogicdeviceFPGA,tocompletetheimageacquisitionandimagecompression.wealsoselectsuitabletotheactualneedsofthecurrentindustryfastalgorithm.FPGAVerilogproceduresofthefunctionalmodularityandreusability,andcanimprovethedesignefficiency,soastogetthereliableandoptimumdesign.

主题词

主题词数量不多于三个，主题词之间空一格（英文用“/”分隔）

中文

FPGA/边缘提取/图像处理/中值滤波

英文

FPGA/Edgeextraction/Imageprocessing/medianfilter

二、选题依据

1．阐述该选题的研究意义，或工程设计的价值和意义，国内外概况和发展趋势，选题的先进性和实用性，技术难度，开发环境。

研究意义：

随着信息技术的飞速发展，信息采集不再停留在文字类型上，实时的、高品质的图像和视频信息是许多决策者和科技人员获得动感和感性认识的源泉。

视频采集在这方面发挥了很大的作用，越来越受到人们的重视。

如今，网络技术已经发展得非常成熟，通过网络实现远程监控是视频采集技术的一个发展趋势。

使用FPGA嵌入式系统实现视频图像采集，然后通过网络传输图像数据更是其中的热点。

系统将设备采集到的数据通过网络传送到视频服务器或视频监控中心的数据库中，从而实现嵌入式系统利用Internet技术实现低成本网络互联、信息沟通。

国内外状况：

目前，数字图像处理技术已经成为计算机科学，医学，生物学，工程学，信息科学等领域各学科之间学习和研究的对象。

数字图像处理经历了四个阶段：

初创期，发展期，普及期和实用化

未来的展望：

未来图像处理的发展将向高清晰度及实习图像处理的理论及技术研究，高速传输，高分辨率，三维成像或多维成像，多媒体化，智能化等方向发展。

同时需要更新的理论研究与更快的算法研究。

本次课题就是具备了实时性。

技术难度：

对实时视频进行采集，要减少对噪声的敏感度，同时要尽量的清晰，对图像进行中值滤波和边缘检测等算法。

开发环境：

基于FPGA平台的开发，运用Verilog硬件语言,QuartusII操作平台。

2．参考文献。

[1]沈兰荪实时系统构成技术,1999

[2]肖文才.樊丰视频实时采集系统的FPGA设计[期刊论文]-中国有线电视2006（21）

[3]张旭.王彬一种基于FPGA的实时图像转换控制器设计[期刊论文]-电子技术应用2001（10）

[4]邵应昭.任爱锋基于FPGA的视频监控系统[期刊论文]-电子技术应用2008（05）

[5]李同宇.任文平.贾赞图像边缘检测电路的FPGA设计[期刊论文]-科技信息2009（31）

[6]赵亮.吕雷.基于FPGA的Sobel算子的边缘响应算法实现[期刊论文]-航空兵器2007（6）

[7]孔祥梅.王宝军实时图像采集和去噪系统[期刊论文]-中国科技信息2007（24）

[8]唐赛明基于FPGA的JPEG压缩编码的研究与实现2007

三、课题内容及具体方案

1.课题内容

本课题主要的目的在于运用FPGA平台实现数字视频图像的采集及处理，立足于国内现有视频采集处理技术，首先研究了基于FPGA平台的视频采集处理的一般方法。

在参考国内外图像处理系统的基础上，在Xilinx公司的开发板上构建了一个图像采集预处理系统。

主要完成了图像的采集，图像储存，图像处理，和图像输出四部分。

掌握了FPGA内部结构和各个模块的链接，调试整个系统的运行。

最后系统学习了数字图像处理的经典理论和算法，重点研究了中值滤波和边缘检测算法。

了解到FPGA在硬件上可以实现并行处理和流水线技术的基础上，将中值滤波和边缘检测法运用到本课题中。

2.系统概要设计

此阶段的基本目的是用比较抽象概括的方式确定系统如何完成预定的任务，也就是说，应该确定系统的物理配置方案，并且进而确定组成系统的每个程序的结构。

2.1模块设计

（1）视频图像采集模块：

由摄像头提供的模拟视频信号对视频信息进行采集。

摄像头每扫描一行图像加入一行同步信号，每扫描一场图像加入一个场同步信号。

（2）视频图像处理与缓存模块：

进行A/D转换，然后把每一帧图像保存在SRAM中，再从SRAM中调用一张图像进行图像处理，先进行中值滤波去噪声，再通过边缘检测消除边缘化。

（3）网络传送模块：

保证数字视频网络传输的实时性和图像的质量。

传送的图像先保存在SRAM中，再添加时钟信号后，传输。

（4）图像显示模块：

把传输过来的数字信号转换为模拟信号，再通过PC显示。

2.2视频图像处理系统中的图像处理算

视频图像处理系统中的主要算法包括图像数据的预处理、图像的识别、目标检测与运动检测等。

随着图像处理理论研究的深入发展，图像处理算法取得了很大进展，图像处理的算法研究已非常成熟。

因此，根据所建系统的硬件结构和性能要求，可以选择合适的算法，实现最终的功能。

一幅原始图像，在获取和传输过程中，会受到各种噪声的干扰。

这些噪声干扰使图像退化，质量下降，表现为图像模糊，特征淹没，对图像分析不利。

因此，消除噪声，恢复原始图像是图像处理中的一个重要内容。

通常采用图像平滑技术消除噪声。

图像平滑往往使图像中的边界、轮廓变的模糊，为了减少这类不利效果的影响，还需要利用图像锐化技术，使图像的边缘、轮廓线以及图像的细节变的清晰。

而图像的锐化操作同样会引入噪声，甚至加大原有的图像噪声。

因此，消除噪声和增强图像成为视频图像处理系统必要的处理步骤。

2.3图像平滑算法

图像平滑是一种实用的数字图像处理技术。

一个较好的平滑处理方法应该既能消除图像噪声，又不使图像边缘轮廓和线条变模糊，这是数字图像平滑处理要追求的目标。

但是由于噪声源众多，噪声种类复杂，所以相应的平滑方法也多种多样。

我们可以将图像平滑分为空间域图像平滑技术和频率域图像平滑技术。

空间域的图像平滑技术有邻域平均法、空间低通滤波、多图像平均、梯度倒数加权法、选择式掩模、中值滤波等。

在频率域中，由于噪声频谱通常在高频部分，因此可以采用各种形式的低通滤波器的方法减少噪声。

常用的低通滤波器有理想低通滤波器、布特沃斯（Butterworth）低通滤波器、指数低通滤波器和梯度通滤波器等。

而本文是采用空间域的图像平滑技术中的中值滤波方法。

处理后再进行边缘检测处理。

如果直接对这些图像进行边缘检测,会损失很多图像细节,检测效果很不理想,因此在图像处理中一个非常重要的问题就是对图像中所混有噪声的滤除。

采用非线性中值滤波,在滤除噪声的同时，还能保护图像信号的边缘使之不被模糊。

系统功能模块图:

软件流程图：

3.系统软硬件支持:

硬件：

•CCD摄像头

•XilinxVirtex-5XUPV5-LX110T开发板

软件：

•Modelism（仿真）

•QuartusⅡ（设计）

•Synplicity（综合）

XUPV5-LX110T开发板介绍：

概述：

XUPV5-LX110T是一款强大的通用FPGA平台，它采用的是XILINX公司Virtex-5系列芯片：

XC5VLX110T。

SUN公司将该板用作其开源微处理器（OpenSPARCT1）的验证平台。

Virtex-5LXTML505 是一款通用 FPGA 和 RocketIO GPT 开发板：

●提供功能丰富的通用评估与开发平台

  ●包括板上存储器和行业标准连接接口

  ●为嵌入式应用提供了通用的开发平台

关键特性：

● XC5VLX50TFFG1136

  ● DDR2SODIMM（256MB）

  ● ZBTSRAM（1MB）

  ● LinearFlash（32MB）

  ● SystemACE™ CF（CompactFlash）

  ● PlatformFlash

  ● SPIFlash

  ● JTAG 编程接口

  ●外部时钟（2 个差分对）

  ● USB

（2） –主机和外设

  ● PS/2

（2） –键盘、鼠标

  ● RJ-45 – 10/100/1000 网络

  ● RS-232（Male） –串行端口

  ●音频输入

（2）- 线和麦克风

  ●音频输出

（2）- 线、放大器、SPDIF、压电扬声器

  ●旋转编码器

  ●视频输入

  ●视频（DVI/VGA）输出

  ●单端和差分 I/O 扩展

  ● GPIODIP 开关（8）、LED（8）和按钮（5）

  ● MII、GMII、RGMII 和 SGMII 以太网 PHY 接口

  ● PCIExpress® 边缘连接器（x1 端点）

  ● GTP：

SFP（1000Base-X）

  ● GTP：

SMA（RX 和 TX 差分对）

  ● GTP：

SGMII

● GTP：

PCIe™

● GTP：

SATA（双主机连接）

  ● GTP 时钟综合芯片

  ●二级串行端口头

  ●用于大型器件的二级 PlatformFlashPROM（32Mb）

  ● Mictor 跟踪端口

  ● BDM 调试端口

  ●软接触端口

XUPV5-LX110T开发板功能结构图:

四、工作进度的大致安排

应包括文献调研，理论分析，数值计算，理论分析，软硬件设计，仪器设备的研制和调试，撰写结题报告、技术论文等，要给出各个阶段的成果形式。

第一学期：

第1周：

了解软件工程实验内容、过程和范围。

第2-6周：

完成组队、选定项目题目，并联系指导教师，

第7-8周：

进行项目调研，查找课题相关资料文献，并在指导老师的指导下进行项目可行性分析。

第9-13周：

提交《软件工程实验项目开题报告》，并进行开题答辩。

第二学期：

第1-4周：

完成总体设计和详细设计。

第5-11周：

完成编码、测试、集成、项目技术论。

第12-14周：

结束。

导师意见（对选题和工作过程及成果进行说明，并给出成绩。

）

导师签名：

年月日

答辩小组意见

答辩组长签名：

年月日