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分类号TP391密级公开UDC编号硕士研究生学位论文题目基于FPGA的视频采集及图像处理算法实现学院（所、中心）信息学院专业名称控制工程研究生姓名张浩然学号12013002344导师姓名任文平职称副教授2015年4月论文独创性声明及使用授权本论文是作者在导师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不存在剽窃或抄袭行为。与作者一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。现就论文的使用对云南大学授权如下：学校有权保留本论文（含电子版），也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文；学校有权公布论文的全部或部分内容，可以将论文用于查阅或借阅服务；学校有权向有关机构送交学位论文用于学术规范审查、社会监督或评奖；学校有权将学位论文的全部或部分内容录入有关数据库用于检索服务。（内部或保密的论文在解密后应遵循此规定）研究生签名：导师签名：日期：I摘要数字图像处理技术已经被广泛的应用于视频监控、机器视觉、航天探测等多个领域。随着现场作业对图像处理的实时性要求越来越高，传统的处理工具已经很难满足其要求。而现场可编程门阵列FPGA作为近年来快速发展的一种电子工具，由于其高速并行的处理特性，可以快速对大量的数据进行处理，因此已经越来越多的应用于图像处理领域与通信领域中。FPGA具有高速并行的处理特性、高度灵活的可配置资源与可移植性强等特点，非常适合运用在数字图像处理领域。本文在对大量国内外文献进行查阅的基础上，设计出一整套完整的视频图像采集系统。本系统可以对视频图像进行实时采集，并且把常用的图像处理算法移植到FPGA中，完成了基于FPGA的图像处理算法。整个系统具体划分为：视频采集模块、I2C控制模块、色彩复原模块、SDRAM控制模块、VGA显示模块以及图像处理模块。首先在系统上电时，用I2C控制模块进行摄像头参数配置，图像数据通过视频采集模块传入FPGA中，色彩复原模块把Bayer型RGB格式的数据转化为可以在VGA上显示的RGB格式。SDRAM控制模块对经过转化后的RGB格式数据进行存储与读取控制。VGA显示模块在行场时序的控制下，在SDRAM中取出数据，进行VGA显示。在图像处理模块中，首先对半透明算法进行研究，并通过视频采集的图像与图片的半透明融合，在FPGA上实现了半透明算法。接下来对视频图像进行灰度化，选择了快速中值滤波对灰度视频画面进行滤波。在研究图像分割时，采用八个梯度模版的Sobel边缘检测对图像进行分割，得到了比较满意的效果。最后在形态学滤波中，用开操作对图像画面进行滤波处理，让整个图像画面变得更加细腻。通过该系统的设计表明，利用FPGA的高速并行的处理特点，可以很好的完成视频图像的采集以及图像处理算法的实现，因此将FPGA运用在图像处理领域是一种非常合适的方案。关键词：FPGA；高速并行；视频图像采集；图像处理；VerilogIIAbstractDigitalimageprocessingtechnologyhasmoreandmoreusedindailylife,industry,spaceexplorationandmanyotheraspects.Duetothereal-timerequirementsforimageprocessingishigherandhigher,traditionalprocessingtoolshavebeenmoreandmorecan'tmeettheirrequirements.AndtheField－ProgrammableGateArrayFPGAasakindofelectronictoolshasrapiddevelopmentinrecentyears。Becauseofitshighspeedparallelprocessingfeatures,itcanquicklytodealwithalargeamountofdata,soithasbeenmoreandmoreapplicationsinthefieldofimageprocessingandcommunicationfield.Ithashigh-speedparallelprocessingcharacteristics,highlyflexibleofconfigurableresourcesandcharacteristicsofportability,verysuitableforuseinthefieldofdigitalimageprocessing.Thispaperdescribesthedevelopmentofthebackgroundvideoimageprocessing,andFPGAfeaturesandfuturedirectionofdevelopment.Onthebasisofalargenumberofreferenceliteraturesathomeandabroad,videoimageprocessingsystemhasbedesigned.Thesystemrealizesthereal-timemonitoringofvideoimages,andforthecommonimageprocessingalgorithms,combinedwithFPGAfeatures,completesFPGA-basedimageprocessingalgorithms.Thewholesystemisdividedintospecific:videocapturemodule,I2Ccontrolmodule,colorrestorationmodule,SDRAMcontrolmodule,VGAdisplaymoduleandanimageprocessingmodule.First,whenthesystemispoweredon,withI2Ccontrolmodulesendcameraparameters,ImagedataispassedthroughthevideocapturemoduleintoFPGA.AfterrecoverymoduleoftheBayerpatterncolorRGBformatintoaconventionalRGBformatstoredinSDRAM..VGAdisplaymodulethroughhorizontalandverticaltimingsynchronizationgetsimagedatafromSDRAM,afterD/AconversionsendstoVGAdisplay.Intheimageprocessingmodulefirstofall,researchtranslucentalgorithm,andthroughimageandvideocaptureimagesbeintegrationonFPGAimplementationalgorithmstranslucent.Next,thevideoimagegraying,selectthefastmedianfilterforfilteringgrayvideoscreen.Intheresearchofimagesegmentation,usingSobeledgeeightgradienttemplatedetectionofimagesegmentation,theresultsaresatisfactory.Finallyinmorphologicalfilters,usingopenoperationfilteringprocessingthevideoimage,letstheentirepicturebecomesmoredelicate.Throughthedesignofthissystemshowsthat,byusinghighspeedparallelprocessingcharacteristicofFPGA,itcanbeverygoodforvideoimageacquisition,andIIIitcancompletethecommonlyimageprocessingalgorithms,soputtheFPGAinthefieldofimageprocessingisaverysuitablescheme.KeyWords:FPGA;Highspeedparallel;Videoimageacquisition;Imageprocessing;VerilogIV目录摘要.................................................................IAbstract............................................................II第一章绪论..........................................................11.1研究背景.........................................................11.2数字图像处理技术的发展...........................................11.3FPGA图像处理技术的现状及其发展...................................21.4本论文的主要工作.................................................4第二章FPGA概述....................................................62.1FPGA的发展.......................................................62.2FPGA的基本原理与结构.............................................72.3FPGA设计的基本原则...............................................82.4本设计采用的FPGA开发平台........................................9第三章视频图像采集系统的设计.......................................113.1系统的总体设计..................................................113.2视频采集模块设计................................................113.2.1MT9M011图像传感器.........................................113.2.2图像传感器数据采集结果分析................................133.2.3I2C总线协议...............................................133.2.4I2C总线控制器的设计.......................................143.2.5I2C模块测试分析...........................................163.3色彩复原模块设计................................................173.3.1Bayer型RGB格式...........................................173.3.2色彩复原算法.....................................