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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着通信技术，图像采集传感器，芯片计算能力的不断提高以及硬件的终端显示能力的提高，视频采集的技术基础越来越扎实，技术发展软硬件壁垒越来越少。视频信号所具有的具体性，真实性和直观性的特征也使之被广泛使用与研究，也在越来越多的工业或生活上的场合得到应用与发展[1]，使用者通过实时与高品质的图像满足自己的应用需求，促进社会的发展。尽管近些年来多种类的图像采集处理系统层出不穷，但是这些系统很大程度上都没能够解决图像采集和处理系统的一些实地应用时的问题，一旦脱离实验室就不能够良好的适应现实环境的复杂性与多变性，有很多的原因能够造成这一现象，比方说大量的图像采集处理系统功能结构与体系还不是很完善，功能较为单一不灵活，耐用性较低，无法广泛应用于社会生产生活的各行各业中；另一方面，此类系统的价格较为昂贵，并且回收周期较短，软硬件出错的机会都比较大，综合以上的多方面的原因，此类系统离广泛应用还有一定距离。

本系统所采用的核心处理单元fpga(field－programmable gate array)，采用硬件描述语言进行编程，设计方便灵活，对其配置时可以灵活考虑系统的现实需求，所以适用的领域较广。同时采用的是ip核复用技术，不同的算法可以基于相同的硬件结构来实现，具有较强的复用性和极高的适应性。同时，可以采用 fpga 来完成图像采集与输出等硬件系统，使系统的体积更小，功能更为集中，达到提高系统的稳定性以及处理速度的目标[3]。随着fpga的制造工艺的提升与硬件设备的进步，fpga容量越来越大，速度也不断变快[4]。同时因为其具有的容量大且速度快的优势，使之从诞生之初就与sopc(system-on-a-programmable-chip)技术互相支持，为图像采集提供了新的解决方案，尤其在涉及到复杂算法时，使用fpga作为核心芯片的优势更加明显，所以fpga十分满足作为实现图像采集与处理的理想处理器的条件。

国内外研究现状

2017年范立超设计了一种基于fpga的图像采集处理系统，为了实现更高的精度，对数据进行实时处理，进行进制的转换与数据形式的调整，达到了去噪声以及校正cmos图像传感器的效果，他应用的新的算法对视频数据进行调整，与传统的校正方法相比精确度得到很大提高。2018年，吴松等人，基于大规模可编程逻辑阵列架构具有的高速图像采集与处理的优势，完成了以fpga芯片为核心器件的图像传感器视频采集设备的总体规划。通过 verilog hdl 编程完成了摄像头ov7722功能模块、sdram存储模块、边缘检测以及vga显示模块的软硬件设计，完成对目标图像的采集、边缘信息的检测，该图像采集处理系统运行良好，具有很好的指导意义。2019年，杨佩宗等人针对传统的视频压缩方式速度慢，稳定性与兼容性差的缺点，提出设计了一种高压缩比的图像采集与压缩系统，该系统设计了以fpga芯片为基础的图像采集压缩系统，通过多个接口实现多格式图像的采集和处理。通过fpga实现图像采集和系统的逻辑时序控制。利用dsp实现压缩算法的控制，完成了jpeg2000格式的图像压缩。压缩速度和压缩比得到极大提高，压缩率高达26倍，同时在高压缩比的情况下图像失真率保持低水平。 美国宾西法尼亚大学设计的基于pci总线的fpga图像采集系统，fpga芯片采用的是altera公司的ep1s40，运行与处理速度较高，sdram用来储存数据。该设计系统的硬件资源比较丰富，适合处理分辨率较高的图像信息，系统比较高效。奥斯特拉瓦技术大学的团队设计了一种基于spartan-6 fpga可编程逻辑器件的图像处理单元硬件方案。该单元包含一个数字化视频转换模块，带fpga的nexys 3板以及彩色tft触摸屏显示器，作为视频转换器的视频源提供佳能mv530i摄像机的复合视频输出。视频转换器的输出是并行的itu-bt.656数据格式。视频处理单元实现了多种功能，包括转换为rgb颜色，灰度，黑白，棕褐色和边缘检测器。完整的fpga逻辑模块采用vhdl设计，许多模块采用参数化ip核的形式。得到的视频在tft显示器上进行演示，该显示器还用于控制实现的功能。

2. 研究的基本内容

论文主要针对图像采集处理系统自身特点，研究如何在有限的条件下着重提高图像采集的速度以及数据缓存的能力。从硬件及软件两方面入手，通过对芯片接口协议及工作方式的学习，研究图像采集处理的最优方式及实现方法。论文的研究内容如下：

1.系统总体方案的制定。通过查阅国内外现有采集处理方案，结合预期技术指标，针对图像采集处理的各方面参数进行全面设计，确定适合本文的图像采集处理方案。

2. 图像采集处理系统的硬件设计。包括系统图像采集电路设计、fpga 主控和配置电路设计、基于多并联外部 sdram 的大容量数据缓存模块设计、电源电路及外围电路设计等。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

芯片选型

所使用的 fpga 型号为 xc7s50fgga484，属于 xilinx 公司最新的 spartan7 系列的产品，速度等级为-1，温度等级为商业级。此型号为 fgga484 封装，484 个引脚。xilinx spartan7 fpga 电源有 vccint, vccbram，vccaux 和 vccio。vccint ax7050 datasheet 10 / 46 为 fpga 内核供电引脚，需接 1.0v；vccbram,为 fpga block ram 的供电引脚；接 1.0v；vccaux为 fpga 辅助供电引脚, 接 1.8v；vcco 为 fpga 的各个 bank 的电压， 包含 bank0,bank14, bank15~16，bank34~35，在 ac7050 核心板上，bank34， bank35 因为需要连接 ddr3，bank 的电压连接的是 1.5v，其它 bank 的电压都是 3.3v，其中 bank15 和 bank16 的 vcco是由 ldo 供电，可以通过更换 ldo 芯片更 改 bank 的电平。芯片采用 50mhz 的有源差分晶振，用于 fpga 的系统主时钟。 晶振输出连接到 fpga 的时钟输入管脚(io_l13p_t2_mrcc_14, pin p15)，这个时钟 可以用来驱动 fpga 内的用户逻辑电路，用户可以通过配置 fpga 内部的 plls 来实现 更高的时钟。

4. 参考文献

[1]黎天赐．一种阈值自适应的边缘检测算法及其fpga实现[d]．华南理工大学，2016

[2]雷春盛．基于tms320dm368高清视频采集系统的设计与研究[d]．东南大学，2015

[3]吴伟学．基于fpga的图像采集与处理系统设计[d]．华南理工大学，2015