基于FPGA的图像采集传输处理系统的设计与实现

作     者：苏斌 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张秀清;孙祎

授予年度：2023年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：FPGA 白平衡 伽马校正 JPEG压缩 MT9P001 DDR3 

摘      要：随着信息化时代的到来,图像处理在人类社会发挥着越发重要的作用,但是传统的图像处理技术存在着数据输出速率慢、实时性差等特点,导致传统的图像处理技术已经逐渐无法满足人类的需求。而FPGA具有并行处理能力强,实时性好等特点,通过FPGA作为图像处理的开发平台可以在极大程度上弥补传统图像处理实时性差、处理速度慢的缺陷,所以本文提出了一种基于FPGA的图像采集传输处理系统。主要工作内容如下:(1)本设计采用Xilinx公司Zynq7000系列的XC7Z020CLG484作为核心主控芯片,选用VIVADO做为开发平台,在此基础上设计了基于FPGA的图像采集传输处理系统。系统集图像采集、数据存储、图像预处理、图像压缩以及数据传输功能为一体。(2)其中图像采集模块以MT9P001传感器为核心,实现图像捕获。提出了一种适用于MT9P001传感器的数据格式转换算法,将Bayer格式转换为RGB格式数据;数据存储模块利用片外存储器DDR3进行图像数据缓存。优化DDR3存储器接口,采用乒乓操作进行数据读写,结合双FIFO实现数据缓存,进一步提升系统性能;图像预处理模块包括伽马校正和白平衡处理,其中伽马校正算法主要对光源进行补偿,提升图像质量;白平衡算法主要是预测色温,对图像色彩进行还原,进一步提升图像质量。图像压缩模块实现了JPEG编码器,在压缩过程中对图像数据进行图像分割、色彩空间转换、DCT变换、量化、Huffman编码等操作。根据DCT变换的可分离性,设计了一种DCT变换模块,进一步节约芯片资源;数据传输模块通过千兆网口与上位机进行通信,将压缩后图像数据传到上位机,显示并保存图像。为了验证系统的准确性,设计了VGA显示模块,将采集的图像实时显示到VGA显示器。(3)对各个模块进行了MATLAB原理仿真、FPGA程序设计以及功能仿真,搭建硬件测试平台,对系统进行板级验证。测试结果表明,本设计达到了预期目标,实现了图像采集、数据存储、图像预处理等功能,最终显示出的图像质量良好,实时性强,验证了系统的可行性。