论文总字数：25624字

目 录

1 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3 本课题研究任务 2

2系统硬件电路的设计 3

2.1 总体电路的设计 3

2.2 图像采集器的设计 4

2.2.1 模拟摄像头模块 4

2.2.2视频解码模块 4

2.3 ARM控制器 6

2.3.1 ARM微处理器的介绍 6

2.3.2 STM32F103微处理器 6

2.3.3 STM32F103最小系统的设计 6

2.4 FPGA核心模块 7

2.4.1 FPGA介绍与芯片选型 7

2.4.2 FPGA 供电电源电路设计 9

2.5 DDR3存储芯片 10

2.6 闪存芯片 12

2.7 视频输出模块的设计 13

2.8 四通道显示模块的设计 15

2.9 降噪模块的设计 16

2.10 PCB布局与布线的设计 17

3 软件设计 20

3.1 软件环境 20

3.2 系统软件总体设计 21

3.2.1 芯片配置 22

3.2.2 TW2867视频分离模块的设计 23

3.2.3 BT656解析模块的设计 23

3.2.4降噪模块的设计 23

3.2.5 存储模块 27

4 系统调试 29

4.1 硬件实物 29

4.2 功能调试 30

5 总结 31

参考文献 32

致谢 34

基于FPGA的四通道图像显示

与降噪系统

朱云青

，China

Abstract: Image processing in the general computer and its software system applications have been a greater development, but because of the large amount of serial computing, power consumption and large size, so real-time and convenience is not too ideal. To this end, this paper designed a portable real-time image acquisition and image noise reduction as one of the hardware system. The system uses the analog camera and video decoder chip TW2867 as the image acquisition module, and then use the FPGA core module to deal with images, through the DDR3 storage and call data. Finally, select the VGA as the output mode. System using STM32F103 on the chip configuration. The test results show that the system has image acquisition and noise reduction function, and has the characteristics of low power consumption, easy to carry and high real-time performance.

Keywords: FPGA; image acquisition; image noise reduction; real-time;

1 绪论

1.1研究背景及意义

随着数字多媒体技术的持续发展，人们愈来愈倾向于通过直观的视频图像获取信息。所以图像处理技术不管是在算法还是系统结构上在近年也得到了飞速的发展，在应用和普及上也相当广泛和成熟。在民用、军用、商用等生产领域都有着较为广泛的运用，取得了巨大的经济效益和良好的作业效率。实时图像采集是其中的核心技术。

实际图像在收集和传输过程中，经常受到噪声污染而噪声正是影响图像质量的主要因素。当我们使用电脑等设备进行处理时，这些图像已不是原始图像，而是由噪声污染引起质量下降的图像^[1]。噪声污染使图像偏离实际情况，极大地影响了人像图像提取的信息，如天文星象，医学影像，遥感图像和计算机视图，因此有必要在消除噪声之后使用图像^[2]。

所以十分有必要进行降噪以提高图像质量。对于图像降噪的不断研究，人们已经研究出许多相适用的算法，例如各种滤波。由于需要巨大的算法数据量对底层图像进行处理，一般的软件处理速度较慢，而对于某些实时系统则无法体现实时性。FPGA芯片是图像预处理阶段目标硬件的理想选择之一^[3]。使用FPGA芯片只要有少量芯片和简单的外部电路，就可以实现更复杂的图像预处理算法，并且只要改变FPGA芯片的内部参数可以实现不同的灰度级图像加工，具有一定的灵活性。目前，FPGA已广泛应用于图像处理。图像降噪前后对比图如图1.1所示。

a.降噪前 b.降噪后

图1.1 图像降噪前后对比图

1.2 国内外的研究现状

图像处理系统的发展可分为三大阶段，现在的近况是处在上世纪九十年代开始的第三阶段，该阶段有两大类主流产品。一种仍旧是采取插卡式，随着PCI总线技术的成熟，海内很多公司早已推出自己的PCI图像卡产品。该产品的特点是在微软平台上使用PCI总线通过软件来编辑图像。另一种是离线图像处理系统，采用专用集成芯片，数字信号处理器，可编程门阵列芯片集成和计算速度大幅提高，这些芯片成为主流芯片处理系统同时也是目前该产品图像处理产品的主流^[4]。

在国内已经有许多学者对图像降噪的算法有了很多的学习和优化。小波算法是当今较为流行的对于降噪的算法，因为其既拥有频率分析的性质，又能对发生的时间予以表示。小波变换的变换具有多分辨度的特性，对于压缩图像，检测边缘，过滤噪声所需提取的特征值都十分方便与有利。在小波分析法的基础上，史佳晨提出了一种提出了基于最小二乘支持向量机分类的邻域阂值去噪算法和以斯坦无偏估计为准则同时结合小波系数尺度间关系的令喊闭值去噪算法^[5]。在中值滤波方面，钟涛等在其学术报告中对中值滤波进行了优化。他在硬件上是利用FPGA来采集超级帧，将有效视频数据进行提取并合并。中值滤波的原理是把数字图像中每一像素点的值设置为该点某邻域窗口内所有像素值的中值。他所做的优化是结合图像所有一维的特性来做二维估计，保留二维图像的一维特性^[6]。由于不同类型的噪声有其适用的滤波方法，例如中值滤波对椒盐噪声有很好的去除效果，而维纳滤波能较好的去除高斯噪声。噪声有可能不是单一的类型，而是多种混合的，所以混合滤波算法也是一种十分可取的方法，在这方面，马向前在2005其所发表的论文中，提出的混合滤波算法，根据噪声分离点规则，对不同像素值的图像采取不同的滤波方法，同时他将图像采集模块与滤波模块在一块FPGA上实现，这样做可以精简系统^[7]。还有利用三维DCT去噪的方法，在这方法的创新改进方面，邓磊本利用三维DCT模块利用DCT的分解性将其分解为三个方向的一维DCT，然后将一维DCT整数化，消除了浮点数运算^[8]。

图1.2是一个实现了实时图像采集与显示的视频系统的实物图。该系统基于AXIStream总线，以FPGA为主控芯片，由DDR2缓存图像数据，从CMOS图像传感器读取数据并处理后，送入视频编码芯片，最终通过DVI接口输出^[9]。

图1.2 图像采集系统实物图

1.3 本课题研究任务

研究任务：本文主要研究了一种基于FPGA的四路实时图像采集与降噪系统。本系统中主要是以模拟摄像头作为采集元器件，选择TW2867为视频解码芯片，ARM微处理器配置，通过CH7310C VGA输出，以FPGA为核心板。最后系统呈现四通道显示，其中三道进行了降噪处理，从而与原始图像进行对比也体现出算法的效率。

第一章绪论主要介绍了本次实验的研究背景及意义，图像处理技术的发展和应用以及现今FPGA对图像处理的优势。

第二章总体介绍了此次系统的各硬件的总体电路设计，以及各模块的介绍。本系统中选用的是TW2867作为四通道的视频解码，因为该器件包含四个高质量视频解码器，能将模拟复合视频信号转换为数字分量YCbCr数据。对图像的采集十分有利。

第三章主要介绍了此次系统的开发环境，主要是FPGA的开发环境ISE和用来配置芯片的IAR。在算法与程序上主要介绍了四通道显示的程序和用来降噪的IP核。

第四章是对该系统的调试和实验测试研究。观察程序仿真是否与最终期望相同，四路摄像头采集到到的图像是否都可以实时显示，其中三路是否有降噪效果。

最后对本次的实验研究的进行总结以及心得体会，同时对在这次实验中对我进行耐心讲解、帮助的老师和同学表示感谢。

2系统硬件电路的设计

2.1 总体电路的设计

本系统的硬件电路部分主要由模拟摄像头采集器、FPGA核心板、ARM和输出模块组成。系统功能：将采集到的视频图像通过四通道显示并将其中三个通道的图像进行降噪处理。如图3-1是这个系统总体设计的系统框图，在系统中用FPGA作为整个系统的核心运算处理芯片。其可控外围芯片并对采集到的数据进行处理。系统用模拟摄像头采集初始的视频，然后把数据送入视频解码芯片TW2867中，再经过A/D转换器转化为YCbCr4：2：2格式的数据^[10]。通过 FPGA芯片写DRAM中，完成存储。需要时再从DRAM 中读取，并对数据进行处理，最后通过 VGA显示出来。原理图如图2.1所示：

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