基于FPGA的Camera Link相机图像采集及处理技术研究.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.56M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

中文摘要

英文摘要

第1章绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 基于FPGA的图像采集及处理技术研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章图像采集调试平台电路设计

2.1 平台总体设计

2.2 Camera Link接口电路设计

2.3 存储电路设计

2.4 VGA显示接口电路设计

2.5 RS-232串口通信电路设计

2.6 FPGA芯片选择及配置下载电路设计

2.7 电源方案设计

第3章图像采集调试平台的硬件逻辑设计

3.1 图像采集调试平台介绍

3.2 硬件逻辑顶层设计

3.3 PLL时钟分频模块

3.4 图像采集模块

3.5 SRAM读写控制模块

3.6 图像存储控制模块

3.7 VGA显示控制模块

3.8 RS-232串口通信模块

3.9 本章小结

第4章典型空间域图像增强算法的硬件实现

4.1 3×3滤波窗口实现

4.2 中值滤波

4.3 拉普拉斯滤波

4.4 Sobel滤波

4.5 本章小结

第5章激光光条中心提取算法的硬件实现

5.1 激光光源及光束特性

5.2 传统极值法

5.3 改进的极值法

5.4 灰度质心法

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A

附录B

声明

致谢

国内图书分类号：TH7412 学校代码：10213 国际图书分类号：681.2.08 密级：公开工学硕士学位论文基于FPGA 的Camera Link 相机图像采集及处理技术研究硕士研究生：吴振锋导师：刘国栋教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2013 年 6 月授予学位单位：哈尔滨工业大学 -

Classified Index: TH741.1 U.D.C: 681.2.08 Dissertation for the Degree of Master in Engineering FPGA-Based Technology Research on Camera’s Image Acquisition and Processing with Camera Link Interface Wu Zhenfeng Prof. Liu Guodong of Instrumentation Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Discipline Science and Technology School of Electrical Engineering and Automation June，2013 Date of Defence： Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology Affiliation： -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要二维激光位移传感器是一种基于线结构光的测量系统。该系统中线结构光光条图像的实时采集和处理是制约其测量效率的主要瓶颈，因此对于其图像实时采集和处理技术的研究至关重要。二维激光位移传感器中图像的获取往往采用 Camera Link 接口的工业相机。这是由于 Camera Link 接口具有抗干扰能力强、传输速率快、传输距离远及开放性好等诸多优点，不但可以为二维激光位移传感器的图像采集提供稳定的图像数据，而且能方便地通过对相机的曝光控制等来适应不同的测量环境。随着 FPGA 技术的不断发展，基于 FPGA 的图像采集处理系统逐渐成为研究的热点。由于 FPGA 强大的并行处理能力，其在图像预处理领域的优势也越来越明显。因此以 FPGA 为核心器件的图像采集处理系统，可以充分利用 FPGA 的并行处理能力以满足二维激光位移传感器的实时性测量要求。因此，本文进行了基于 FPGA 的 Camera Link 相机图像采集及处理技术研究，主要工作内容如下： 1) 设计了基于 FPGA 的图像采集调试平台； 2) 对图像采集调试平台进行了相应的硬件逻辑设计，实现了相机图像的实时采集、存储、VGA 显示及串口通信等功能； 3) 对典型的空间域图像增强算法进行了硬件实现，验证了基于 FPGA 的图像采集处理系统在图像预处理领域的巨大的并行处理优势； 4) 对激光光条提取算法进行了设计与硬件实现，为二维激光位移传感器图像处理算法的进一步研究奠定了基础。关键词：FPGA；图像采集；图像处理；硬件实现 - I -

哈尔滨工业大学工学硕士论文 Abstract The two-dimensional laser displacement sensor is a system based on line structured light.And real-time acquisition and processing of the structural light image is the main bottleneck of the system.So it is quite important to research on technology of its real-time image acquisition and processing. Image acquisition of the two-dimensional laser displacement sensor is always done by industrial camera with Camera Link interface.That's because the Camera Link interface has many advantages such as strong anti-interference ability,fast transmission rate,far transmission distance ,total openness and so on.So,cameras with Camera Link interface can not only provide stable image data,but also adapt to different measuring environment through conveniently controlling the camera's exposure level. With the continuous development of FPGA technology,FPGA-based image acquisition and processing systems are becoming more and more hot.As its powerful parallel processing capabilities,FPGA's advantages in the field of image preprocessing has become image acquisition and processing systems with FPGA being core component can take full advantage of parallel processing capabilities of FPGA to meet the real-time measuring requirement of the two-dimensional laser displacement sensor. increasingly evident.So Thus, this paper conducted a FPGA-based technology research on camera's image acquisition and processing with Camera Link interface.The main work contents are as follows: 1) Design of image acquisition and debugging platform based on FPGA. 2) Design of hardware above-mentioned platform,realizing camera image's real-time acquisition,store,VGA display,serial communication and etc. corresponding logic to 3) Hardware implementation of typical spatial domain image enhancement algorithm,verifying FPGA's parallel processing capabilities' adaptability for image preprocessing algorithms. 4) Design and hardware implementation of laser stripe extraction image processing algorithms,providing a reference for further study of algorithms in research of two-dimensional laser displacement sensor. Keywords: FPGA, Image Acquisition, Image Processing, Hardware Implementation - II -

哈尔滨工业大学工学硕士论文目录摘要 ................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................... II 第 1 章绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究意义 ................................................................................. 1 1.2 基于 FPGA 的图像采集及处理技术研究现状 ........................................... 2 1.3 本文研究的主要内容 ................................................................................. 4 第 2 章图像采集调试平台电路设计 .................................................................. 5 2.1 平台总体设计 ............................................................................................. 5 2.2 Camera Link 接口电路设计 ........................................................................ 6 2.3 存储电路设计 ............................................................................................. 7 2.4 VGA 显示接口电路设计 ............................................................................. 9 2.5 RS-232 串口通信电路设计 ....................................................................... 11 2.6 FPGA 芯片选择及配置下载电路设计 ...................................................... 12 2.7 电源方案设计 ........................................................................................... 13 2.8 本章小结 .................................................................................................. 13 第 3 章图像采集调试平台的硬件逻辑设计 ..................................................... 15 3.1 图像采集调试平台介绍 ........................................................................... 15 3.2 硬件逻辑顶层设计 ................................................................................... 15 3.3 PLL 时钟分频模块 .................................................................................... 16 3.4 图像采集模块 ........................................................................................... 17 3.5 SRAM 读写控制模块 ................................................................................ 20 3.6 图像存储控制模块 ................................................................................... 23 3.7 VGA 显示控制模块 .................................................................................. 24 3.8 RS-232 串口通信模块 ............................................................................... 26 3.8.1 串口接收子模块 ................................................................................ 27 3.8.2 串口发送子模块 ................................................................................ 28 3.9 本章小结 .................................................................................................. 30 第 4 章典型空间域图像增强算法的硬件实现 ................................................. 31 4.1 3×3 滤波窗口实现 .................................................................................... 31 4.2 中值滤波 .................................................................................................. 33 4.2.1 算法原理 ........................................................................................... 33 - III -

哈尔滨工业大学工学硕士论文 4.2.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 33 4.2.3 硬件算法性能分析 ............................................................................ 34 4.3 拉普拉斯滤波 ........................................................................................... 35 4.3.1 算法原理 ........................................................................................... 35 4.3.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 36 4.3.3 硬件算法性能分析 ............................................................................ 38 4.4 Sobel 滤波 ................................................................................................. 39 4.4.1 算法原理 ........................................................................................... 39 4.4.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 39 4.4.3 硬件算法性能分析 ............................................................................ 40 4.5 本章小结 .................................................................................................. 41 第 5 章激光光条中心提取算法的硬件实现 ..................................................... 42 5.1 激光光源及光束特性 ............................................................................... 42 5.2 传统极值法............................................................................................... 42 5.2.1 算法原理 ........................................................................................... 42 5.2.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 43 5.2.3 算法硬件实现效果分析 .................................................................... 44 5.3 改进的极值法 ........................................................................................... 45 5.3.1 算法原理 ........................................................................................... 45 5.3.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 45 5.3.3 算法硬件实现效果分析 .................................................................... 46 5.4 灰度质心法............................................................................................... 46 5.4.1 算法原理 ........................................................................................... 46 5.4.2 算法的硬件实现 ................................................................................ 47 5.4.3 算法硬件实现效果分析 .................................................................... 48 5.5 本章小结 .................................................................................................. 48 结论 ................................................................................................................ 50 参考文献 ............................................................................................................ 51 附录 A ................................................................................................................ 54 附录 B ................................................................................................................. 55 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 .............................................. 56 致谢 ................................................................................................................ 57 个人简历 ............................................................................................................ 58 - IV -

哈尔滨工业大学工学硕士论文第 1 章绪论 1.1 课题背景及研究意义本课题的研究背景是二维激光位移传感器的研制项目。二维激光位移传感器是一种基于线结构光的嵌入式测量系统，其测量原理如图 1-1 所示。激光器 ①通过将线激光束打在被测表面⑦上，由面阵 CCD 相机⑥采集激光光条图像，最后通过对激光光条图像处理得到被测表面的二维形貌信息。显然，激光光条图像的实时采集和处理是实现二维激光位移传感器高精度、高效率测量的关键。系统每次测量时需要处理整幅的图像数据，进行包括图像预处理、光条提取、位移计算等大量运算，如此之大的运算量和系统实时性要求之间的矛盾成为了制约二维激光位移传感器研制的主要瓶颈。图 1-1 二维激光位移传感器测量原理示意图 Camera Link 是一种高速数据传输协议，其支持的最高数据传输率可达 680MB/s。为满足实时性图像采集的要求，系统设计时采用了 Camera Link 接口的工业面阵 CCD 相机。为适应不同的传输速率和距离需求，数字图像传输领域里先后出现过 IEEE1394，USB2.0，DCOM3，RS-644(LVDS)，Camera Link 和千兆以太网等传输协议。其中，Camera Link 接口协议由于抗干扰能力强、传输速率快、接口形式标准、传输距离远等优点，正在逐步地取代原有的一些接口成为市场的主流[1]。以往的基于 PC 和图像采集卡的图像处理系统，并不能满足实时性、便携性等方面的要求[2]。然而，随着 FPGA 技术的不断成熟，基于 FPGA 的图像采集及处理技术成为研究的热点之一[3]。这是由于 FPGA 的逻辑资源并行性特 - 1 -

哈尔滨工业大学工学硕士论文点，其支持数据的并行运算及多级流水线技术，可以大大提高数据处理的速度。对于需要大量重复运算但过程相对简单的图像预处理算法，FPGA 具有其他技术手段不可比拟的优势，可实现多模块的并行处理，因此在嵌入式图像采集与处理领域中得到了迅速发展[4]。综上所述，研究基于 FPGA 的 Camera Link 相机图像采集与处理技术，不仅顺应技术发展的潮流，而且有助于解决二维激光位移传感器研制过程中大量的数据运算与实时性要求之间的矛盾。 1.2 基于 FPGA 的图像采集及处理技术研究现状自第一台计算机问世以来，伴随着计算机技术不断进步，数字图像采集处理成为一个迅速发展的学科[5,6]。而且，随着数字图像处理技术的发展，各种各样的图像采集处理系统的相继出现。总体上看，当前主流的数字图像采集处理研究方向有以下几大类[7]：1) 以传统 PC 为核心的图像采集处理技术；2) 基于专用的数字信号处理器 DSP 的图像采集及处理技术；3) 基于专用集成电路 ASIC 的图像采集卡；4) FPGA 和 DSP 相结合的图像采集处理技术；5) 基于 FPGA 的硬件图像采集处理技术。这几大类图像处理技术各有优缺点。以 PC 为核心的图像采集处理技术最为成熟，拥有丰富的资源，但往往伴随着系统体积大、便携性差及速度不高的问题。基于 DSP 的图像处理技术可以满足便携性要求，而且其速度也越来越快，但毕竟 DSP 系统内部硬件算法模块有限，当需要处理的数据量很大且速度要求严格时，其显得力不从心。基于 ASIC 的图像采集卡技术拥有无可比拟的处理速度优势，但有着研发周期长、成本高的缺点。以 FPGA 和 DSP 结合的图像采集处理系统，可以充分发挥 FPGA 并行计算的速度优势和 DSP 易于实现高难度算法的优点，属于一种软硬件结合的技术，因此存在软硬件功能划分、FPGA 与 DSP 之间的接口衔接等问题。随着 FPGA 制造工艺的不断提高，FPGA 向着大容量、高速度的方向不断前进。大容量、高速度的 FPGA 的出现及 SOPC 技术的不断发展，为图像采集和处理提供了一种新的解决方案[8,9]。基于 FPGA 的图像处理技术适用于处理数据量大、重复性高但算法复杂度相对简单的场合，但是随着基于 FPGA 的硬件算法 IP 核越来越成熟、广泛，以 FPGA 为核心的图像采集处理系统应用越来越受欢迎。另外随着 FPGA 的制造工艺和集成技术的发展，采用 FPGA 的数字硬件系统越来越凸显其在实时图像处理领域的强大优越性[10]。国外的众多大学和科研机构从 20 世纪五十年代便开始了基于 FPGA 的图像采集及处理研究[11]。 - 2 -

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