FPGA的图像处理系统算法

文/张虎森 许珂 仇正杰

智能机器人、多媒体已经计算机的诞生都离不开数字图象处理技术，随着计算机智能化图象处理技术的不断发展，几乎所有领域当中都有数字图象技术的身影。例如军事、公共安全、工业、航天航空、卫星遥感以及生命科学等各种领域。因此对图象处理技术的要求也逐渐提高，需要数字图象设计朝着高效性和时效性的方向发展，本文就此分析了FPGA技术下的图象处理系统算法。

1 FPGA技术

1.1 FPGA技术原理

FPGA通常包括两个部分，分别是储存编程数据的软件SRAM和三项可编程电路，这三种可编程电路分别是互连资源、输入模块、输出模块和可编程逻辑模块。FPGA中主要部分就是可编程逻辑模块，这一模块能够落实逻辑功能，同时还可以参考设计要求，灵活选择设置或是连接，从而实现各种逻辑功能。而输送模块则是芯片与外部环境进行连接的主要通道，能够促进内部逻辑阵列和器件引脚的连接，同时实现各种电气特征下的输送功能要求。芯片四周通常会排列IOB。

1.2 FPGA技术特点

FPGA既包含ASIC中的高度可靠性、高集成度和大规模等优势，同时还包括ASIC设计中灵活性差、投资大、设计时间长等问题，除了上述优势外，FPGA还包括下面几项优点，首先是FPGA能够反复进行擦除和编程。在外部电路保持不变的状态下，通过设计不同逻辑可以完成各种电路功能。其次是投资较小，同时设计比较灵活，在发现问题后可以对设计直接进行更改，从而降低了投片风险。

2 FPGA的图象处理系统算法的实现

图象算法处理系统中的存储模块能够将提前准备好的图象数据进行存储，而运算单元负责各项计算任务，促进实现各种图象处理算法，只需要将其中的数值进行更换即可。控制模块负责图象算法处理系统中的各种控制工作，辅助图象算法实施，并进行传输。

2.1 存储模块

随着FPGA技术的不断发展，从前众多优秀设计人员留下了大量数字系统成果。为了让其中部分成果能够有效应用于Altera特定设备结构中，并进行有效应用，Altera企业根据Altera设备中的结构特征在上述成果的基础上进行了有效的优化，从而形成一种LPM函数和可参数化模块，为此设计人员需要参考相应的设计要求，通过硬件或是图形将语言模块中功能板块恰当地表述出来，并设置好一定的参数，尽量贴近系统要求。在这种设计模式下，能够提升设计效率和可靠性。

2.2 运算单元

运算单元的工作其实就是输出数据信息、落实数字图象算法和读取ROM数字图象中的灰度信息。当一个是三乘三中值邻域滤波器模板对目标图象进行作用时，首先应该了解这一滤波器中的九个数据信息，随后才能更好地使用中值滤波算法，而ROM中所储存的灰度数据主要可以在Verilog HDL的编程下，将其中的具体数值解读出来，同时FPGA技术下的编程工作中是不存在二维数组理念的，为此本文主要是通过移位寄存器RAM来储存IP核的，并落实邻域图象处理操作，实现各种数字图象处理算法。

在一个全面的系统设计当中，例如设计DSP应用系统，需要通过数据缓冲移位寄存器，以移位寄存器RAM为基础的IP核就是一种高效的处理措施。以移位寄存器RAM为基础的IP核属于一种参数化的移位寄存器，同时TAPS值在一定程度上也影响了系统中移位寄存器在某一时间点中的输出数据总路数，这种IP核十分适用于有限冲击响应滤波器和线性反馈寄存器。对于以移位寄存器RAM为基础的IP核想要发挥出应有的作用，就应该先为IP核进行适当的参数设置，主要包括所有TAP的对应数据深度、TAP输出路数、shiftout端口宽度、shiftin数据宽度、RAM模块类型等。

本文主要是以移位寄存器RAM为基础的IP核为基础促进数据缓冲模块的落实，而IP核内部包括FIFO共同形成的Buffer和数个寄存器所组成，这也是图象处理过程中产生滤波器模板的基础，为了能够将其形成原理解释清楚，以移位寄存器RAM为基础的IP核可以参考下面内容进行参数设置，将shiftout端口宽度、shiftin数据宽度分别设置成八位的二进制，从而taps输出路数就是三路，不同taps对应的不同数据深度是三。由于所举例中的数字图象处理是一种邻域操作，滤波器模块是三乘三的型号，行缓存末端三种也是彼此相连接的三种，如此就能够在每个周期中获得三个相邻数据，符合三乘三滤波模块使用要求。

2.3 控制模块

控制模块在整个系统中是一种核心部件，可以辅助系统的运行，同时融入到整个系统内部。主要负责工作包括辅助运算单元在ROM中准确读取数据信息，操作运算单元落实图象处理算法，帮助运算单元和数据传输子系统进行信息流通等。

2.4 数据传输模块

数据传输模块其中包含两部分内容，分别是串口通信模块和FIFO传输模块。将图象处理子系统中的时钟设置成五十毫赫兹，将串口通信模块设置成九千六百赫兹波特率。为此可以通过异步FIFO促进图象通信模块和子系统串口之间的跨时钟数据传播，联系。为了让图象算法子系统和上位机PC之间的通信过程更加便捷，通常都是通过通信串口进行数据信息交流。

3 结语

综上所述，通过FPGA技术进行图象处理，能够拥有更多的使用优势，比如成本较低、方便落实以及适用范围较广等特点。同时还拥有实时性、集成化、小型化等特点。随着我国微电子技术的发展，图象处理逐渐应用于图象通信以及多媒体等各个领域，而FPGA技术可以有效促进硬件对实时图象的有效处理，以FPGA技术为基础的图象处理研究也将成为未来信息领域发展的热点。