基于FPGA的智能工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)χ悄芄I(yè)相機(jī)的性能要求越來越高。本課題致力于基于FPGA的高性能智能工業(yè)相機(jī)的研究。由于FPGA獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)使得其只適合進(jìn)行簡單的圖像預(yù)處理工作，因此結(jié)合FPGA處理器的特點(diǎn)進(jìn)行圖像處理算法的改進(jìn)和高效移植是本課題高性能智能工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)開發(fā)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)。
　　本文分析了基于FPGA平臺的高性能智能工業(yè)相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一套智能工業(yè)相機(jī)軟硬件設(shè)計方案，成功研制出了微型智能工業(yè)相機(jī)樣機(jī)。樣機(jī)采

2、用300萬像素逐行掃描CMOS Sensor和高性能低功耗CycloneⅣ系列FPGA芯片組合，實(shí)測整機(jī)功耗不到1W。本文使用Verilog HDL編寫FPGA內(nèi)部控制邏輯實(shí)現(xiàn)了對圖像數(shù)據(jù)流的控制、處理和傳輸以及SDRAM的驅(qū)動，在SDRAM的讀寫模塊，創(chuàng)新性地提出了一種半乒乓讀寫機(jī)制，從而避免了幀交錯的情況發(fā)生，保證了幀讀取畫面的完整性。USB部分實(shí)現(xiàn)了slavefifo模式下的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度接近40MB/s，基本達(dá)到USB2.0

3、最高傳輸速度;提出MFC架構(gòu)的智能工業(yè)相機(jī)調(diào)試分析軟件方案，實(shí)現(xiàn)視頻預(yù)覽、截圖等功能，為智能工業(yè)相機(jī)研究的后續(xù)工作開展提供了平臺。
　　為了更真實(shí)地將Bayer陣列還原為彩色圖像，本文在對比了雙線性插值算法和梯度相關(guān)性算法之后，提出了更適合FPGA實(shí)現(xiàn)的全梯度插值算法;巧妙地利用FPGA的內(nèi)部IP核，通過流水線處理方式實(shí)現(xiàn)了以上三種算法，實(shí)驗對比結(jié)果證明全梯度插值算法較梯度相關(guān)性算法更少的硬件資源占用和更好的還原效果。本文對低照度

4、增強(qiáng)算法進(jìn)行去浮點(diǎn)數(shù)改進(jìn)，使用流水線處理法實(shí)現(xiàn)改進(jìn)后的算法，充分的發(fā)揮了FPGA的并行處理優(yōu)勢，最后通過獲得視頻的效果和幀率對比證明了算法的有效性和實(shí)時性。在邊緣檢測算法的實(shí)現(xiàn)過程中，首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后巧妙地利用FPGA的內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)了Sobel邊緣檢測算法，最后展示了不同閥值的邊緣檢測的實(shí)驗結(jié)果。
　　最后對本課題研制出的智能工業(yè)相機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測試，該樣機(jī)的視頻流暢、圖像清晰，并且能夠連續(xù)長時間穩(wěn)定工作，可用性