FPGA的圖像處理系統算法

文/張虎森 許珂 仇正杰

智能機器人、多媒體已經計算機的誕生都離不開數字圖象處理技術，隨著計算機智能化圖象處理技術的不斷發展，幾乎所有領域當中都有數字圖象技術的身影。例如軍事、公共安全、工業、航天航空、衛星遙感以及生命科學等各種領域。因此對圖象處理技術的要求也逐漸提高，需要數字圖象設計朝著高效性和時效性的方向發展，本文就此分析了FPGA技術下的圖象處理系統算法。

1 FPGA技術

1.1 FPGA技術原理

FPGA通常包括兩個部分，分別是儲存編程數據的軟件SRAM和三項可編程電路，這三種可編程電路分別是互連資源、輸入模塊、輸出模塊和可編程邏輯模塊。FPGA中主要部分就是可編程邏輯模塊，這一模塊能夠落實邏輯功能，同時還可以參考設計要求，靈活選擇設置或是連接，從而實現各種邏輯功能。而輸送模塊則是芯片與外部環境進行連接的主要通道，能夠促進內部邏輯陣列和器件引腳的連接，同時實現各種電氣特征下的輸送功能要求。芯片四周通常會排列IOB。

1.2 FPGA技術特點

FPGA既包含ASIC中的高度可靠性、高集成度和大規模等優勢，同時還包括ASIC設計中靈活性差、投資大、設計時間長等問題，除了上述優勢外，FPGA還包括下面幾項優點，首先是FPGA能夠反復進行擦除和編程。在外部電路保持不變的狀態下，通過設計不同邏輯可以完成各種電路功能。其次是投資較小，同時設計比較靈活，在發現問題后可以對設計直接進行更改，從而降低了投片風險。

2 FPGA的圖象處理系統算法的實現

圖象算法處理系統中的存儲模塊能夠將提前準備好的圖象數據進行存儲，而運算單元負責各項計算任務，促進實現各種圖象處理算法，只需要將其中的數值進行更換即可?？刂颇K負責圖象算法處理系統中的各種控制工作，輔助圖象算法實施，并進行傳輸。

2.1 存儲模塊

隨著FPGA技術的不斷發展，從前眾多優秀設計人員留下了大量數字系統成果。為了讓其中部分成果能夠有效應用于Altera特定設備結構中，并進行有效應用，Altera企業根據Altera設備中的結構特征在上述成果的基礎上進行了有效的優化，從而形成一種LPM函數和可參數化模塊，為此設計人員需要參考相應的設計要求，通過硬件或是圖形將語言模塊中功能板塊恰當地表述出來，并設置好一定的參數，盡量貼近系統要求。在這種設計模式下，能夠提升設計效率和可靠性。

2.2 運算單元

運算單元的工作其實就是輸出數據信息、落實數字圖象算法和讀取ROM數字圖象中的灰度信息。當一個是三乘三中值鄰域濾波器模板對目標圖象進行作用時，首先應該了解這一濾波器中的九個數據信息，隨后才能更好地使用中值濾波算法，而ROM中所儲存的灰度數據主要可以在Verilog HDL的編程下，將其中的具體數值解讀出來，同時FPGA技術下的編程工作中是不存在二維數組理念的，為此本文主要是通過移位寄存器RAM來儲存IP核的，并落實鄰域圖象處理操作，實現各種數字圖象處理算法。

在一個全面的系統設計當中，例如設計DSP應用系統，需要通過數據緩沖移位寄存器，以移位寄存器RAM為基礎的IP核就是一種高效的處理措施。以移位寄存器RAM為基礎的IP核屬于一種參數化的移位寄存器，同時TAPS值在一定程度上也影響了系統中移位寄存器在某一時間點中的輸出數據總路數，這種IP核十分適用于有限沖擊響應濾波器和線性反饋寄存器。對于以移位寄存器RAM為基礎的IP核想要發揮出應有的作用，就應該先為IP核進行適當的參數設置，主要包括所有TAP的對應數據深度、TAP輸出路數、shiftout端口寬度、shiftin數據寬度、RAM模塊類型等。

本文主要是以移位寄存器RAM為基礎的IP核為基礎促進數據緩沖模塊的落實，而IP核內部包括FIFO共同形成的Buffer和數個寄存器所組成，這也是圖象處理過程中產生濾波器模板的基礎，為了能夠將其形成原理解釋清楚，以移位寄存器RAM為基礎的IP核可以參考下面內容進行參數設置，將shiftout端口寬度、shiftin數據寬度分別設置成八位的二進制，從而taps輸出路數就是三路，不同taps對應的不同數據深度是三。由于所舉例中的數字圖象處理是一種鄰域操作，濾波器模塊是三乘三的型號，行緩存末端三種也是彼此相連接的三種，如此就能夠在每個周期中獲得三個相鄰數據，符合三乘三濾波模塊使用要求。

2.3 控制模塊

控制模塊在整個系統中是一種核心部件，可以輔助系統的運行，同時融入到整個系統內部。主要負責工作包括輔助運算單元在ROM中準確讀取數據信息，操作運算單元落實圖象處理算法，幫助運算單元和數據傳輸子系統進行信息流通等。

2.4 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊其中包含兩部分內容，分別是串口通信模塊和FIFO傳輸模塊。將圖象處理子系統中的時鐘設置成五十毫赫茲，將串口通信模塊設置成九千六百赫茲波特率。為此可以通過異步FIFO促進圖象通信模塊和子系統串口之間的跨時鐘數據傳播，聯系。為了讓圖象算法子系統和上位機PC之間的通信過程更加便捷，通常都是通過通信串口進行數據信息交流。

3 結語

綜上所述，通過FPGA技術進行圖象處理，能夠擁有更多的使用優勢，比如成本較低、方便落實以及適用范圍較廣等特點。同時還擁有實時性、集成化、小型化等特點。隨著我國微電子技術的發展，圖象處理逐漸應用于圖象通信以及多媒體等各個領域，而FPGA技術可以有效促進硬件對實時圖象的有效處理，以FPGA技術為基礎的圖象處理研究也將成為未來信息領域發展的熱點。