基于FPGA+ DSP的实时图像处理系统设计与实现

摘 要: 针对图像处理系统计算量大、实时性高和体积小的要求， 研制了一种以DSP为主处理器FPGA为辅处理器的高性能实时图像处理系统。利用这两种芯片的各自特点， 将算法分成两部分分别交由FPGA和DSP处理， 大大提高了算法的效率。系统具有结构简单易于实现和运用方便灵活的特点， 加载上相应的程序之后能实现对所获取的图像跟踪、识别和匹配等处理方法。详细说明了系统的设计思路和硬件结构， 并在硬件系统上进行了算法仿真及实验验证。实验结果表明: 该系统实时性高， 适应性好， 能够满足设计要求。

1 引 言

图像处理系统的处理算法复杂， 计算量大， 处理实时性要求高， 同时系统的体积也有严格的限制。

因此在设计系统时必须综合考虑这些特点， 合理选用芯片并保留一定的余度。通常的方法是以FPGA和DSP作为系统的处理器， 即由FPGA 承担图像预处理功能， DSP实现更复杂的图像处理算法。在这样一种结构之上如何扩展系统的应用， 增加其灵活性并减少因前期设计不当造成的风险是设计前需要重点考虑的问题。

2 系统结构设计

实时图像处理系统除了FPGA和DSP这两个核心部分之外， 还应该有图像获取模块、图像输出模块以及相应的存储部分及通信控制电路等组成。各个主要模块的功能如下:

图像获取模块: 将成像仪输入的图像进行分离、放大， 并在FPGA 的控制下完成A /D 采样， 将模拟信号转换为数字信号， 并将数字信号输入FPGA 模块。

FPGA 模块: 该模块的主要功能是: 1产生系统所需要的逻辑控制信号，2为各芯片提供时钟信号，3对输入图像进行预处理。

DSP模块: 对预处理后的图像进行目标检测、识别与跟踪等复杂的图像处理运算。DSP模块是整个系统的核心模块。

图像输出模块: 对处理后的数字图像进行D /A转换， 并叠加同步信号后形成标准的视频， 实现对处理结果的显示。

实时图像处理系统结构如图1所示。


图1 实时图像处理系统结构框图

3 系统的具体实现方案

明确了系统的基本组成模块之后需要做的工作是: 在满足实时图像处理算法各种要求的条件下如何将这几个部分组合起来， 使得系统易于实现， 并具有较高的可靠性。同时还要对各模块仔细分析加以改进以扩展系统的应用范围。以下是各模块的具体组成。

3. 1 图像获取模块

为扩展系统应用， 该模块有两路视频输入通道，可以根据实际的需要决定是一路还是两路视频输入。当将系统用于双目成像系统时由于双目视觉要求两个成像仪同步， 所以在第一路视频通道中经EL4501分离出的复合同步信号接到第二路成像仪的同步输入口， 以实现两个成像仪的同步。因为成像仪输出为模拟视频信号， 所以分离之后的视频信号须经A /D转换才能进入到FPGA中。A /D采样过程由FPGA 控制， 由第二路视频通道分离出来的场同步、行同步和奇偶帧指示信号直接进入到FPGA，FPGA 将同步信号和奇偶帧指示信号作为中断来控制采样的开始和停止。同时为防止系统其它电路对图像获取模块的干扰， 在信号进入到FPGA 之前应该加上隔离芯片对信号进行隔离。