论文总字数：26027字

摘 要

随着科学的进步和时代的发展，数字图像处理的运用越来越广泛，已渗入到军用，民用，商用等各个领域，给人们的生活的方方面面带来了便捷。图像的获取与处理手段也越来越多，比如通用计算器，DSP等，这些数字图像处理的技术也从稚嫩逐步过渡到了成熟。然而这些手段在实现时也有一些不足之处，如系统设计复杂，增加功耗，功能单元有限，编译的效率不高。近年来，随着集成电路的发展，FPGA的运用逐渐进入人们的视野。相比于其他图像处理效率低，速度慢等弊端，FPGA以其高速，并行，灵活的优势，成为图像处理的重要选择。通过编程配置，FPGA可以实现任何数字电路功能，为提高数字图像处理系统的各种性能提供了更多的思路和方法。

本课题主要研究如何在FPGA开发板上实现光子计数读出电路的数据处理工作，主要是对二进制数据的滤波处理，包括：中值滤波和均值滤波两种处理方式。选择在Vivado软件上采用Verilog语言来编写两种滤波算法，通过仿真和验证来判断二进制数在均值滤波和中值滤波算法处理后的数值的正确与否，实现对一组数的取均值或取中值，并通过FPGA板进行实际电路验证。

关键词：现场可编辑门阵列，数字图像处理，中值滤波，Verilog

Abstract

With the advancement of science and the development of the times, the use of digital image processing has become more widespread. It has penetrated into military, civil, commercial and other fields, and has brought convenience to all aspects of people's lives. There are also more and more methods for obtaining and processing images, such as general-purpose calculators and DSPs. These digital image processing technologies have gradually transitioned from immature to mature. However, these methods also have some deficiencies when they are implemented. For example, the system design is complicated, the power consumption is increased, the functional units are limited, and the compilation efficiency is not high.In recent years, with the development of integrated circuits, the use of FPGAs has gradually entered people's field of vision. Compared to other image processing technologies such as low efficiency and slow speed, FPGAs are an important choice for image processing because of their high speed, parallelism, and flexibility. Through programming configuration, FPGA can realize any digital circuit function, providing more ideas and methods for improving various performances of digital image processing system.

This topic mainly studies how to realize the data processing of the photon counting readout circuit on the FPGA development board. It is mainly the filtering processing of binary data, including two processing methods: median filter and average filter. Two kinds of filtering algorithms are selected using Verilog language in Vivado software. Through emulation and verification, it is judged whether the binary numbers are correct or not after the mean filtering and median filtering algorithms are processed, and the average value of a group of numbers is taken or taken. Median, and actual circuit verification through the FPGA board.

KEY WORDS: FPGA, Digital image processing, Median filter, Verilog

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 意义 2

1.2 国内外研究现状与发展趋势 2

1.3 研究内容 2

1.4 本文组织结构 3

第二章 数字图像处理及FPGA基本原理 4

2.1 数字图像处理 4

2.1.1 数字图像处理方法 4

2.1.2 图像平滑方法 4

2.2 FPGA技术介绍 4

2.2.1 FPGA内部结构 4

2.2.2 FPGA简介 5

2.2.3 FPGA基本结构 6

2.2.4 FPGA开发流程 7

2.2.5 FPGA技术优势 8

2.3 基于Vivado的FPGA开发 9

2.3.1 硬件描述语言Verilog HDL简介 9

2.3.2 Vivado开发平台 10

2.3.3 Vivado实现数字图像处理的关键问题 11

2.4 中值滤波和均值滤波 11

2.4.1 均值滤波算法的研究 11

2.4.2 中值滤波算法的研究 13

2.4.3 快速中值滤波 14

2.5 本章小结 15

第三章 基于FPGA的数字图像处理系统设计 16

3.1 系统功能设计 16

3.2 SPI模块设计 16

3.2.1 SPI串口通信协议 16

3.2.2 SPI接口模块设计 18

3.3 存储模块设计 19

3.3.1 FIFO模块 19

3.3.2 双口RAM 20

3.4 读写地址发生器 21

3.5 基于FPGA的数字图像处理算法设计 21

3.5.1 3×3方形窗模板生成 21

3.5.2 中值滤波算法实现模块和改进 22

3.5.3 均值滤波算法实现模块 25

3.6 本章小结 27

第四章 实验仿真与分析 28

4.1 中值滤波仿真与验证 28

4.2 均值滤波仿真与验证 31

4.3 本章小结 39

第五章 总结与展望 40

5.1 总结 40

5.2 展望 40

致谢 42

参考文献 43

附录 44

绪论

研究背景与意义

研究背景

时代在发展，科技在进步，数字图像与人们生活之间的联系息息相关。目前数字图像处理技术已经应用到众多领域中，如生物医学，航空航天，通信工程，等等。鉴于图像是人们获取和交换各种各样信息的重要来源，所以对图像的处理也顺理成章的成为了工程师们研究的热门课题之一。

从二十世纪五十年代刚出现数字图像处理，到如今的二十一世纪图像处理的广泛应用，数字图像处理的技术突飞猛进。数字图像处理的系统模型如下图1-1所示，首先进行图像采集，将模拟信号变为数字信号，接着将数字图像存储在寄存器中，然后将寄存器中的数字图像通过算法各种图形处理算法得到处理后的数据，最终将处理好的图像通过终端设备显示，这样就完成了真个数字图像处理系统的流程。硬件处理的存储资源和数据处理资源相比于软件处理系统较为有限，也只能执行最简单的基本运算如加减乘除等，所以用硬件系统处理图像就必须将软件平台上的图像处理算法移植到硬件上，并且将复杂的算法转换为简单的加减乘除，而且控制芯片占有的资源数量。

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