图像边缘检测算法的硬件实现方法研究
摘要
本文主要描述了如何使用基于Xilinx公司的Spartan-3A DSP1800A FPGA芯片的Aquila开发板完成一个实时视频处理的系统。该系统的视频采集使用PAL制式CCD摄像头，视频信号输入的A/D解码芯片为TI公司的tvp5150a芯片。输入的模拟视频信号经过A/D解码转换为符合PAL制式的数字视频数据进入FPGA。FPGA对数字视频数据进行处理后，将处理后的视频数据以RGB565标准的格式输入视频编码芯片Philips公司SAA7105芯片。并由该芯片完成D/A转换后将结果输出至VGA接口，接显示器显示。即完成了一个实时视频采集、处理即显示的硬件系统。其中tvp5150a和SAA7105两块芯片需要利用I2C总线对其功能进行配置。本文描述了该系统对视频数据采用基于Sobel算子的边缘检测处理的方法，通过实现对采集到的视频数据进行基于Sobel算子的边缘检测并实时显示，展现了该系统的实用性。本文中所描述的系统亦可实现多种基于单帧图像的图像处理，具有较强的适应性。且本系统具有较好的实时性。本文探讨了如何定义FPGA中整个系统的架构以及具体的模块划分，并阐述了各个模块实现的方法以及调试的过程。重点讨论了在调试过程中遇到的一些困难及解决方法，希望能够对以后的开发者能有所帮助。
关键词：FPGA，Spartan-3A DSP1800A，PAL， I2C，sobel算子
目 录
第一章 绪论 6
1.1 选题背景及意义 6
1.2 当前研究现状 7
1.3 本文的组织结构 7
第二章 设计环境 8
2.1 硬件环境 8
2.1.1 FPGA简介 8
2.1.2 FPGA的开发流程 9
2.1.3本系统所选用的FPGA芯片 9
2.1.4 SAA7105简介 11
2.1.5 SAA7105的主要特点 11
2.1.6 TVP5150A简介及特性 11
2.1.7 硬件环境整体描述 12
2.2 软件环境 12
2.2.1 FPGA集成开发环境Xilinx ISE 12
2.2.2 仿真工具ModelSim 13
2.2.3 FPGA调试工具ChipScope Pro 16
2.2.4 软件设计流程 17
第三章 系统结构及模块划分 20
3.1 系统结构概述 20
3.1.1 I2C寄存器配置部分主要功能 20
3.1.2 视频输入及存储部分主要功能 20
3.1.3 视频数据处理部分主要功能 21
3.1.4 输出时序发生兼数据输出部分主要功能 21
3.2 模块划分 21
第四章 模块详细设计 23
4.1 I2C寄存器配置模块 23
4.1.1 I2C总线介绍 23
4.1.2 I2C写配置寄存器模块的顶层结构 25
4.1.3 I2C_write模块的实现 26
4.1.4 I2C_reg_ram_write模块的实现 27
4.1.5 I2C_top模块的实现 27
4.1.6 I2C配置模块的调试 27
4.2 VIU视频输入单元模块 28
4.2.1 视频输入格式BT656简介 28
4.2.2 视频输入单元模块的具体实现 30
4.2.3 视频输入单元模块的调试过程 31
4.3 VOU视频输出单元模块 31
4.3.1 RGB565简介 31
4.3.2 VOU_top和RGB_top模块的具体实现 31
4.3.3 视频输出单元的调试 33
4.4 YCbCr2RGB图像处理模块 34
4.4.1 基于Sobel算子的边缘检测算法 34
4.4.2 本设计所采用的Sobel算子边缘检测算法的流程图 35
4.4.3 YCbCr2RGB模块的具体实现 36
4.4.4 YCbCr2RGB图像处理模块的调试 38
第五章 仿真和验证结果及分析 39
4.1 I2C模块仿真结果 39
4.2 视频输入模块仿真结果 39
4.3 视频输出模块仿真结果 40
第六章 结论 41
谢辞 43
