图像边缘检测算法的硬件实现方法研究

论文编号:TX280  论文字数:24714,页数:48

摘要

 本文主要描述了如何使用基于Xilinx公司的Spartan-3A DSP1800A FPGA芯片的Aquila开发板完成一个实时视频处理的系统。该系统的视频采集使用PAL制式CCD摄像头，视频信号输入的A/D解码芯片为TI公司的tvp5150a芯片。输入的模拟视频信号经过A/D解码转换为符合PAL制式的数字视频数据进入FPGA。FPGA对数字视频数据进行处理后，将处理后的视频数据以RGB565标准的格式输入视频编码芯片Philips公司SAA7105芯片。并由该芯片完成D/A转换后将结果输出至VGA接口，接显示器显示。即完成了一个实时视频采集、处理即显示的硬件系统。其中tvp5150a和SAA7105两块芯片需要利用I2C总线对其功能进行配置。本文描述了该系统对视频数据采用基于Sobel算子的边缘检测处理的方法，通过实现对采集到的视频数据进行基于Sobel算子的边缘检测并实时显示，展现了该系统的实用性。本文中所描述的系统亦可实现多种基于单帧图像的图像处理，具有较强的适应性。且本系统具有较好的实时性。本文探讨了如何定义FPGA中整个系统的架构以及具体的模块划分，并阐述了各个模块实现的方法以及调试的过程。重点讨论了在调试过程中遇到的一些困难及解决方法，希望能够对以后的开发者能有所帮助。
 
 关键词：FPGA，Spartan-3A DSP1800A，PAL， I2C，sobel算子
 
Real-time video processing system for hardware design based on FPGA

ABSTRACT

 This paper mainly described how to use the Aquila development board based on Xilinx’s Spartan-3A DSP1800A FPGA chip to complete a real-time video processing system. This system uses the PAL standard CCD video camera to complete Video signal collection. The Video signal is the input signal for TI’s tvp5150a chip which is an A/D converter and a video decoder. The decoder converts the analog video signal into digital video data with PAL format and sends the data into FPGA. Processed by FPGA, the digital video data is sent to the Philips’s SAA7105 video encoding chip in the RGB565 format. After the D/A conversion finished by the SAA7105 chip, the result show on a monitor through the VGA interface. That is a complete real-time video collection, processing and display hardware system. The tvp5150a and SAA7105 chip need to be configured by I2C bus. This paper describes how to use this system to detect the edge of the video based on sobel operator and demonstrates the usefulness of this system. The system described in this paper can achieve a varitey of image processings based on one frame, and has strong adaptability. And this system has a good real-time process ability. This article discusses the structure of the whole system in the FPGA, how to define each module’s function, how to finish every module and how to commissioning this system. This paper focused on the process of commissioning, and the difficulties encountered and the solutions, hoping to help the future developers.

Key words: FPGA，Spartan-3A DSP1800A，PAL， I2C，sobel operator

目  录
第一章 绪论 6
1.1 选题背景及意义 6
1.2 当前研究现状 7
1.3 本文的组织结构 7
第二章 设计环境 8
2.1 硬件环境 8
2.1.1 FPGA简介 8
2.1.2 FPGA的开发流程 9
2.1.3本系统所选用的FPGA芯片 9
2.1.4 SAA7105简介 11
2.1.5 SAA7105的主要特点 11
2.1.6 TVP5150A简介及特性 11
2.1.7 硬件环境整体描述 12
2.2 软件环境 12
2.2.1 FPGA集成开发环境Xilinx ISE 12
2.2.2 仿真工具ModelSim 13
2.2.3 FPGA调试工具ChipScope Pro 16
2.2.4 软件设计流程 17
第三章 系统结构及模块划分 20
3.1 系统结构概述 20
3.1.1 I2C寄存器配置部分主要功能 20
3.1.2 视频输入及存储部分主要功能 20
3.1.3 视频数据处理部分主要功能 21
3.1.4 输出时序发生兼数据输出部分主要功能 21
3.2 模块划分 21
第四章 模块详细设计 23
4.1 I2C寄存器配置模块 23
4.1.1 I2C总线介绍 23
4.1.2 I2C写配置寄存器模块的顶层结构 25
4.1.3 I2C_write模块的实现 26
4.1.4 I2C_reg_ram_write模块的实现 27
4.1.5 I2C_top模块的实现 27
4.1.6 I2C配置模块的调试 27
4.2 VIU视频输入单元模块 28
4.2.1 视频输入格式BT656简介 28
4.2.2 视频输入单元模块的具体实现 30
4.2.3 视频输入单元模块的调试过程 31
4.3 VOU视频输出单元模块 31
4.3.1 RGB565简介 31
4.3.2 VOU_top和RGB_top模块的具体实现 31
4.3.3 视频输出单元的调试 33
4.4 YCbCr2RGB图像处理模块 34
4.4.1 基于Sobel算子的边缘检测算法 34
4.4.2 本设计所采用的Sobel算子边缘检测算法的流程图 35
4.4.3 YCbCr2RGB模块的具体实现 36
4.4.4 YCbCr2RGB图像处理模块的调试 38
第五章 仿真和验证结果及分析 39
4.1 I2C模块仿真结果 39
4.2 视频输入模块仿真结果 39
4.3 视频输出模块仿真结果 40
第六章 结论 41
谢辞 43