如何使用FPGA實現(xiàn)高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計

　　圖像采集是數(shù)字化圖像處理的第一步，開發(fā)圖像采集平臺是視覺系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。視覺檢測的速度是視覺檢測要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是專用圖像處理系統(tǒng)設(shè)計所要完成的首要目標“3。傳統(tǒng)的圖像采集卡只能將采集的圖像數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機，而不能傳輸給專用圖像處理系統(tǒng)，因此需要研制專用的圖像采集系統(tǒng)，既能夠?qū)崟r高速獲取視覺圖像，又能實時將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機和專用圖像處理系統(tǒng)。

　　FPGA（Field Programmable Gate Array）運算速度快，實時性強，易于并行運算和實現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)，編程相對復雜，它實現(xiàn)圖像底層處理速度快，易于通過VHDL（VeryHigh Speed Integrate Circuit Hardware Description Language）語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)。以FPGA為底層運算和控制核心，能夠通過軟件編程無限次更改內(nèi)部硬件邏輯，改變功能，編程后的FPGA相當于專用集成芯片，采用硬件電路實現(xiàn)軟件功能，具有很高的運行速度。典型的視覺應用系統(tǒng)可由下列五個部分組成：圖像獲取、預處理、特征的提取、分類和識別、響應等5個部分組成，其中預處理、特征提取、分類一識別三個階段分別對應了視覺任務的底層、中層和高層。視覺檢測中圖像處理的特點是底層圖像處理數(shù)據(jù)量大，算法簡單，占有2／3的計算量，高層圖像處理算法復雜，但數(shù)據(jù)量小。因此，底層圖像采集及控制過程由FPGA實現(xiàn)；高層圖像處理算法由DSP（Digital SignalProcessor，數(shù)字信號處理）實現(xiàn)。高速完成視覺傳感器的數(shù)據(jù)處理任務。

　　本文以Altera公司的Cyclone系列EPlC6為核心構(gòu)建了圖像采集系統(tǒng)，該芯片建立在流水線設(shè)計和查找表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可以進行并行運算處理，不僅克服其它嵌入式芯片執(zhí)行速度慢的缺陷，而且完全適于各種圖像處理算法的實現(xiàn)。圖像預處理中關(guān)鍵是圖像噪聲的濾除和特征提取，噪聲的濾除在圖像處理過程中十分重要，它影響圖像處理中圖像的輸入、采集、處理的各個環(huán)節(jié)以及輸出結(jié)果的全過程。因此，去噪聲是圖像處理中極為重要的步驟。一個良好的圖像處理系統(tǒng)，不論是模擬處理還是數(shù)字處理，都是把降低第一級的噪聲作為重要工作。

　　本篇論文闡述了圖像噪聲的來源以及噪聲濾除的基本理論，給出了改進的非線性濾波算法，并進行各種算法的～IATLAB仿真比較；概述了圖像采集系統(tǒng)的工作原理和各部分組成及其助能。采用EDA技術(shù)，設(shè)計以FPGA芯片為核心控制的圖像采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了改進的非線性濾波算法，仿真結(jié)果說明算法的有效性和系統(tǒng)的高速性能達到了預期目的。本文在視覺檢測的主要指標，即目標識別和處理速度方面進行了有意義的探索和較為深入的研究，在實踐應用方面有著較強的實用價值。