基于FPGA的点二维高斯滤波器图像处理

论文总字数：16757字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 图像处理技术的发展现状 1

1.3 FPGA的发展现状 2

1.4 基于FPGA的图像处理技术的发展现状 3

1.5 本文的研究内容 4

2 FPGA设计综述 5

2.1 FPGA技术 5

2.1.1 FPGA的发展 5

2.1.2 FPGA的基本原理 5

2.1.3 FPGA的优点 5

2.2 基于Quartus II的FPGA设计流程 6

3 数字图像处理算法研究 7

3.1 方形窗 7

3.2 卷积运算 7

3.3 二维高斯滤波 8

3.4 快速逼近高斯滤波算法 9

4 基于FPGA的图像处理算法实现 11

4.1 滤波器总体硬件设计方案 11

4.2 方形窗的FPGA实现 12

4.3 行列计数器及FPGA硬件设计 14

4.4 高斯滤波的FPGA实现 15

4.5 高斯滤波的快速实现研究 19

5 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

致谢 25

基于FPGA的点二维高斯滤波器图像处理

刘琪

,China

Abstract:With the real-time development of information, microelectronics, computer science and technology, the theory of image processing has been rapidly developed, and its application areas have become more and more widespread, which has penetrated into every aspect of daily life. At the same time, the rapid development of hardware technology has made it practical to use FPGAs to process images. This paper first studies the theory of Gaussian filtering algorithms, proposes an algorithm that uses multiple mean-value filters to achieve Gaussian filtering, and then uses VHDL language to implement it in FPGA. This can make full use of FPGA hardware resources and speed up the processing speed of the algorithm. In the end, this paper makes a proper summary and prospect of image processing technology based on FPGA, and has a good theoretical and practical basis for the design of other hardware-based image processing systems.

Keywords: FPGA; Image Processing; Gaussian Filtering; Mean Filtering

1 绪论

1.1 课题背景

信号和信息处理学科中很重要的一部分就是图像处理，它在许多计算机领域中也最热门。随着电子技术的不断发展，数字图像的各种处理技术已非常成熟，并广泛应用于制造、军事、医疗、科研等各种地方，推动了许多产业的发展，给社会带来了不错的经济效益，使人们的生活变得更加便捷。

可重复设计电路模块的最合适的开发方式就是使用FPGA技术。FPGA技术已经达到了实现硬件处理数字图像的性能要求，其独特结构使该技术广泛应用于基本上所有数字图像处理领域。

我们使用的图片越清晰，图像的分辨率也就越高，而像传统一样使用软件处理图像就越来越难，达不到实时快速处理的要求，甚至有些图像根本无法用软件来处理。现在国内外研究探索的一个重要领域就是基于FPGA的硬件处理方法，它大大提高了数字图像的处理速度。

1.2 图像处理技术的发展现状

实现数字图像处理无非就是两种方案，一种是用软件处理，例如用MATLAB实现，另外一种是用硬件处理，例如专用集成电路、FPGA等。大多数不复杂的图像处理是用软件实现的，因为软件处理的成本很低，而且便捷，容易操作。当我们处理一些实时的图片或者大图片时，使用软件进行处理可能达不到需要的速度要求，因为软件处理的速度较慢，这时选择使用硬件处理图像来达到处理速度的要求是非常合适的。

专用集成电路和FPGA是研究者普遍喜欢采用的硬件图像处理方案，前者是全定制的，不可随意改变，后者是半定制的，可以根据所需的要求进行适当的设计改变，它们都很大程度上的提高了图像处理的速度。

通常来说，想要使图像的处理速度大大提高，使得高效率的处理图像，可以通过两种方法：一种是改变图像处理的算法，即改变算法以致运算量的改变；另一种改变算法的实现方式，即硬件实现或者软件实现，改变的是运算的速度^[1]。图像处理算法的改变，就是让算法变得更简洁，降低处理过程的复杂度。但是通过几十年算法的发展，图像处理算法已经非常成熟，其操作的复杂度相对不变，所以想要改变算法的同时又能让其达到所需的性能要求变得十分困难，这需要大量的时间和精力来进行理论研究。当今社会，各个领域对图像处理的要求是不相同的，有的对速度实时性要求较高，有的对灵活性要求较高，而根据不同的要求，实现图像处理算法的方式有下面5种：

1. 通用计算机。

通用计算机的处理速度比较快，但是其结构复杂、价格昂贵，虽然通用计算机技术的发展速度很快，但大多数通用计算机的工作原理是数据之间的串行处理，不能达到数据之间的并行处理。通常来说，通用计算机在系统结构上存在局限性，因此很难满足对高像素图像的实时处理。因此，通用计算机不适合对一些实时图像进行处理，它满足不了实时处理图像的要求，但适用于对一些图像算法进行理论验证。

1. 并行处理机。

在一些特殊的场合，单独计算机的CPU无法实现对图像数据的实时处理时，可以采用多个CPU并行处理来解决这个问题，即使用并行处理机来进行图像数据处理。为了能探索出各种编程语言和并行结构，从而解决单个CPU处理不足的缺点，国内外研究者在这一领域做了大量的研究。但是这一领域仍然不成熟，依旧达不到高标准的图像处理要求。

1. 专用集成电路。

专用集成电路(ASIC)虽然可以达到很高的处理速度，但其是为特定的电子系统制定的，只针对特定的电子系统才有效，换个系统就不能使用，因此灵活性很低，而且设计集成电路需要花费大量的时间，如果后期发现算法存在错误，或者任何一个部分有一点小问题，整个设计都要重新开始，浪费大量的时间、精力和财力。当专用集成电路中存在硬件设计错误时，如果已经投入生产，只能用回收产品来解决了，这给芯片制造商带来很高的经济成本。鉴于专用集成电路灵活性较低的缺点，不适合作为图像处理的首选方式，所以在绝大多数的图像处理应用中都不会采用专用集成电路。

（4）数字信号处理器。

数字信号处理器(DSP)是设计用来专门处理某种信号的处理器，它里面包含绝大多数的设定好的图像算法处理电路，使用时只需选择进行相应的处理，因此拥有非常快的处理速度，能够满足对实时图像进行处理的需求。但是数字信号处理器里面的算法是固定不变的，如果需要一个全新的算法是无法实现的，所以数字信号处理器的应用领域也十分有限。

1. 现场可编程门阵列。

现场可编程门阵列(FPGA)器件是目前应用领域最大的可编程逻辑器件，在生活的方方面面，我们都能发现它的存在。数字信号处理器是根据串行指令，一步一步的实现对图像的处理，而FPGA就可以用并行方式同时对图像数据进行处理。而且FPGA最大的优点是可以随时根据需求进行重新设计，不仅方便快捷而且成本极低，因此适用于大多数的电子设计领域。

1.3 FPGA的发展现状

FPGA的发展速度是越来越快，以往的发展周期一般是四到五年，而伴随着其他电子行业的迅猛发展，现在FPGA的发展周期已经缩小到两到三年，甚至还会继续缩小，可见其发展的快速。在应用方面，FPGA比其他电子产业拥有更广泛的应用领域，比如在军事上，在医疗上，在科研上等等，它几乎充斥着我们生活的方方面面。

2018年美国对中兴公司实施禁令，中国没有能力制造芯片这一短板显露出来，FPGA芯片作为一种高端的处理芯片，已经被美国垄断，而且垄断还在越来越严重。因此，为了打破FPGA的市场垄断，研发出具有自主知识产权的FPGA技术就至关重要，对国家的利益具有深远的影响。

作为一种大规模可编程逻辑器件，FPGA仅仅在三十年的时间里就发展成为数字处理系统的核心。大规模可编程逻辑器件在未来有以下的发展趋势：

（1）集成度越来越高，规模越来越大；

（2）速度提高，性能提升；

（3）IP库的利用更加灵活；

（4）价格越来越低；

（5）向可编程系统芯片发展。

1.4 基于FPGA的图像处理技术的发展现状

图像处理系统的结构受外界因素的影响很大，比如处理器的快慢，集成电路水平的高低甚至信息传输的快慢都对其有着一定的影响。图1.1为最早出现的图像处理结构，从图中可以看出，图像帧存处在结构核心位置，即通过图像帧存来实现图像处理，这是一个效率特别低的处理过程。而90年代出现的图像处理系统有了很大的改进，它是以计算机内存为核心，将图片数字化后，使用硬件处理来加快处理速度，如图1.2所示。

图1.1 以图像帧存为核心的图像处理结构

图1.2 以计算机内存为核心的图像处理系统

当今社会，研究图像处理结构的学者也越来越多，而随着并行处理技术、图像采集技术、FPGA技术的快速发展以及图像算法的理论研究，图像处理系统也在被不断地优化，趋向于速度更快、处理效果更好。使用FPGA处理图像的应用也愈加广泛，而且正在努力与各种电子行业产生关联，应用于日常生活中。FPGA的发展仍有很大的空间，因为其具有不可替代的优势，设计者会在越来越多的图像处理系统的设计中采用FPGA。

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