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基于FPGA的伪彩色图像处理系统

作　者: 陈海飞
导　师: 李一民
学　校: 昆明理工大学
专　业: 系统工程
关键词: 彩色图像灰度图像伪彩色 FPGA 协同设计 SOPC
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在现实生活中,图像包含大量的彩色信息,色彩信息是比较丰富的,人们根据这种彩色信息可以分辨出事物所表达出来的信息,尽管人的眼睛本身就能分辨出灰度信息,但是灰度信息的图像本身要表达出来的信息量毕竟有限,彩色图像所表达出来的一些特征是灰度图像所不能够表达出来的。在现实社会的许多场合,比如医学、工业、多媒体技术、视觉等,人们往往感兴趣的是彩色图像所表达出来的色彩信息,同时这样的多媒体效应更能让人提取出有用的信息量,更容易对其作出正确的判断。在现实条件下或其他仪器的局限性,我们获取的往往只是灰度图像,灰度图像由于颜色信息太少而不能达到我们所要求的信息,因此研究灰度图像到色彩图像的变换就显得有很大的现实意义和实用价值。课题的选取是云南省科技厅项目“食品安全追溯系统”,中的部分工作,同时在参加2009年ALTERA公司举办的电子创新设计大赛“基于FPGA食品安全工程图像处理终端”中部分工作,本设计主要解决通过FPGA将灰度图像经过处理转变成色彩信息更加丰富的彩色图像,即“基于FPGA的伪彩色图像处理系统”的设计。对灰度图像的色彩信息的调整起到增强的作用。本论文以Altera公司和台湾友晶公司共同开发的DE2-70为开发板平台,利用目前较为成熟的图像处理算法,采用软硬件协同设计的方法,将图像处理与SOPC可编程嵌入式技术紧密连接在一起,开发了基于FPGA的图像处理系统。系统根据Altera公司的DE2-70多媒体平台上的资源,以SD卡作为存储器,存储要处理的灰度图像,将灰度图像从SD卡中以数字化的方式读出,.同时存储在SDRAM中,再在Nios II IDE环境中编写算法处理程序,将处理的结果最终又以BMP图片格式存储在SD卡中,并在VGA显示器中显示处理的结果。该系统通过对图像的伪彩色处理应用于FPGA上实现,可裁减、可扩充、可升级,具备软、硬件系统可编程的功能。系统实现通过将存储器SD卡上的BMP格式图像以编码的方式形成数字化信息,存储在SDRAM中,通过伪彩色算法处理将处理后的图像重新存储在SD卡中,同时在VGA中实现伪彩色处理结果的显示,以按钮的方式实现对多幅图像实现显示切换的一体化SOPC系统。系统SOPC的设计以IP(Intellectual Property)为基础,以硬件描述语言为主要设计手段,借助以计算机为平台的EDA工具,自动化、智能化地自顶向下地进行。SOPC要求设计工具具备软、硬件协同设计和完整、严格的协同验证能力。通过最终将处理的结果进行数据对比来实现算法实现的效果。通过SD存储数据、解码、处理及显示,使得图像的存储简单,方便。使用QuartusⅡ8.0设计软件及其SOPC builder设计组件,时序和功能仿真,采用SOPCBuilder陕速构建硬件系统,同时利用NiosⅡ处理器系统可配置的特点,灵活的设计存储器和外设,使系统构建更为灵活,并可以实现软硬件协同开发,使系统搭建效率更高,也提供了一种全新的嵌入式系统设计理念。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景和意义  9-10
  1.2 图像处理的发展状况  10-12
    1.2.1 图像处理的发展现状  10
    1.2.2 伪彩色图像处理的难度  10-12
  1.3 伪彩色处理的方法与算法  12-13
    1.3.1 伪彩色  12
    1.3.2 伪彩色算法选取  12-13
  1.4 课题的提出  13-14
  1.5 本论文的研究内容和论文结构  14-15
第二章图像伪彩色处理系统与SOPC技术  15-24
  2.1 SOPC设计的思想以及开发流程  15-18
    2.1.1 SOPC的概述  15-16
    2.1.2 SOPC的IP core(知识产权核)  16-17
    2.1.3 SOPC中的软硬件协同设计理念  17-18
  2.2 伪彩色图像处理系统实现方案  18-21
    2.2.1 处理器选择  18-19
    2.2.2 SOPC系统整体架构  19-21
    2.2.3 伪彩色图像处理系统的整体设计  21
  2.3 系统开发应用平台  21-23
    2.3.1 系统应用平台  21-23
    2.3.2 软件开发设计环境  23
  本章小结  23-24
第三章系统硬件实现  24-41
  3.1 系统硬件与开发环境  24-28
    3.1.1 FPGA内部硬件模块  24-25
    3.1.2 使用Quartus Ⅱ和SOPC Builder实现FPGA硬件开发  25-27
    3.1.3 AVALON总线信号  27-28
  3.2 伪彩色图像处理系统硬件模块的设计  28-38
    3.2.1 图像存储介质SD卡的读写原理  28-31
    3.2.2 SDRAM模块的调试  31-33
    3.2.3 VGA IP core的改进与使用  33-37
    3.2.4 LPM参数化模块设计  37-38
  3.3 SOPC系统搭建  38-40
    3.3.1 使用SOPC Builder对系统的架构  38-39
    3.3.2 在QuartusⅡ工程中生成整个硬件系统  39-40
  本章小结  40-41
第四章伪彩色图像处理系统详细软件设计与实现  41-56
  4.1 NiosⅡ软件环境简述  41-43
  4.2 NiosⅡ软件设计  43-44
  4.3 软件实现  44-55
    4.3.1 SD卡软件驱动  44-47
    4.3.2 VGA的写控制  47
    4.3.3 BMP图像的读写  47-49
    4.3.4 BMP图像的伪彩色算法实现  49-55
  本章小结  55-56
第五章伪彩色图像处理系统仿真测试和验证实验  56-61
  5.1 系统电路仿真  56-57
    5.1.1 系统硬件功能仿真  56-57
    5.1.2 系统硬件仿真  57
  5.2 伪彩色处理实验  57-59
    5.2.1 图像的匹配计算  57-58
    5.2.2 伪彩色算法效果对比  58-59
  5.3 系统参数和资源使用  59-60
  本章小结  60-61
第六章结论与展望  61-64
  6.1 总结  61-62
  6.2 展望  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
附录1 攻读硕士学位期间完成的主要论文和参加的工作  68-69
附录2 系统实物图  69

基于FPGA的伪彩色图像处理系统

内容摘要

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