基于FPGA的数字图像处理原理及应用

本书首先介绍FPGA程序设计和图像与视频处理的关键基础理论，然后通过实例代码详细讲解了如何利用FPGA实现直方图操作中的直方图统计/均衡化/线性拉伸/规定化、线性滤波器操作中的均值滤波器、Sobel算子(滤波、求模、求角度)、非线性滤波器操作中的排序类算法/形态学滤波、图像分割算法中的局部自适应分割/Canny算子等。本书在仿真测试部分设计了一种完善的通用测试系统，并利用此测试系统在每一章的仿真测试环节对所设计算法进行严格的测试和验证。本书在*后一章介绍了在视频处理领域常见的输入/输出接口。本书偏向于工程应用，在书中有大量关于如何利用FPGA实现图像处理算法的实例及代码，并对这些算法的原理及其实现过程、算法测试等做了详细的介绍，全部的算法都进行了仿真测试验证。本书提供实例的全部源代码，可登录以下网址免费获取：http://www.hxedu.com.cn（华信资源教育网）。本书适用于需要利用FPGA进行图像处理和视频分析的学者和工程开发人员。读者需要具备一定的嵌入式设计及FPGA设计的基础知识，特别是Verilog语言的语法基础。

牟新刚，武汉理工大学专职教师，主要从事图像处理、高速信号处理、并行计算、嵌入式系统设计等方面的研究工作

目 录

第1章 图像处理基础1
1.1 数字图像处理简介1
1.1.1 图像采样1
1.1.2 图像量化2
1.1.3 数字图像处理3
1.2 数字图像处理系统4
1.2.1 图像处理系统构成4
1.2.2 原始图像获取6
1.2.3 图像传感器接口16
1.2.4 图像处理流水线17
1.2.5 图像与视频压缩19
1.2.6 视频显示处理26
第2章 FPGA与图像处理32
2.1 使用FPGA的原因32
2.2 FPGA技术优势33
2.3 FPGA的发展历程34
2.4 FPGA生产厂家及其产品35
2.4.1 Altera35
2.4.2 Xilinx37
2.4.3 Lattice37
2.4.4 Atmel38
2.4.5 Actel38
2.5 FPGA开发流程38
2.5.1 FPGA设计方法38
2.5.2 典型的FPGA开发流程39
2.6 FPGA常用开发工具44
2.6.1 代码输入工具45
2.6.2 综合工具46
2.6.3 仿真工具47
2.6.4 实现与优化工具47
2.6.5 EDA工具48
2.7 FPGA图像处理的开发流程49
2.7.1 需求分析及问题描述49
2.7.2 软件算法设计及验证50
2.7.3 硬件平台设计51
2.7.4 FPGA映射52
2.7.5 仿真及验证54
第3章 FPGA编程语言55
3.1 HDL语言简介55
3.2 模块化设计56
3.3 可移植性57
3.4 不可移植性61
3.5 测试逻辑62
3.6 冗余逻辑63
3.7 常用语法63
3.7.1 参数化63
3.7.2 条件编译68
3.7.3 位宽匹配69
3.7.4 二维数组69
3.8 应用实例70
3.8.1 信号边沿检测70
3.8.2 多拍处理72
3.8.3 图像行列计数73
第4章 映射技术77
4.1 系统结构77
4.1.1 流水线设计77
4.1.2 并行阵列81
4.2 计算技术82
4.2.1 算法转换82
4.2.2 近似计算83
4.2.3 增量更新85
4.2.4 查找表85
4.2.5 浮点计算89
4.2.6 Cordic技术96
4.3 存储器映射103
4.3.1 帧缓存104
4.3.2 行缓存105
4.3.3 异步缓存113
4.3.4 增加存储器带宽114
4.3.5 存储器建模与仿真115
4.4 其他设计技巧116
4.4.1 合理处理参数116
4.4.2 资源及模块复用117
4.4.3 防止亚稳态118
第5章 系统仿真121
5.1 Modelsim使用基础121
5.1.1 Modelsim简介121
5.1.2 Modelsim图形界面及
仿真示例122
5.1.3 使用脚本命令来加速
仿真133
5.1.4 其他加速仿真的方法136
5.2 视频图像处理仿真测试系统136
5.2.1 仿真测试系统框架136
5.2.2 视频时序模拟137
5.2.3 视频捕获模拟145
5.2.4 MFC程序设计157
5.2.5 通用testbench161
第6章 直方图操作167
6.1 灰度直方图167
6.2 直方图均衡化169
6.3 直方图规定化172
6.4 直方图拉伸175
6.5 基于FPGA的直方图操作179
6.5.1 FPGA直方图统计179
6.5.2 FPGA直方图均衡化192
6.5.3 FPGA直方图线性拉伸203
第7章 线性滤波器214
7.1 线性滤波214
7.1.1 均值滤波214
7.1.2 高斯滤波216
7.1.3 Sobel算子219
7.1.4 离散傅里叶变换222
7.2 基于FPGA的均值滤波227
7.2.1 整体设计与模块划分227
7.2.2 子模块设计228
7.2.3 Verilog代码设计232
7.2.4 仿真与调试结果243
7.3 基于FPGA的Sobel算子247
7.3.1 整体设计与模块划分247
7.3.2 Sobel模板计算电路249
7.3.3 基于Cordic的坐标系转换
电路251
7.3.4 Verilog代码设计257
7.3.5 仿真与调试结果274
第8章 非线性滤波器280
8.1 统计排序滤波280
8.2 基于FPGA的统计排序滤波器282
8.2.1 并行全比较排序法原理282
8.2.2 整体设计与模块划分285
8.2.3 子模块设计286
8.2.4 Verilog代码设计288
8.2.5 仿真与调试结果298
第9章 形态学滤波303
9.1 形态学滤波简介303
9.2 形态学滤波的基本应用304
9.3 基于FPGA的Tophat滤波设计311
9.3.1 顶层框架设计311
9.3.2 子模块设计312

9.3.3 Verilog代码设计317
9.3.4 仿真及调试结果337
第10章 图像分割341
10.1 图像分割简介341
10.2 基于阈值的分割341
10.2.1 全局阈值分割341
10.2.2 局部自适应阈值分割344
10.3 基于边缘的分割347
10.3.1 Canny算子347
10.3.2 Canny算子的计算步骤347
10.4 基于FPGA的局部自适应分割356
10.4.1 算法转换357
10.4.2 FPGA结构设计358
10.4.3 子模块设计359
10.4.4 Verilog代码设计363
10.4.5 仿真与调试371
10.5 基于FPGA的Canny算子设计378
10.5.1 非最大值抑制电路设计378
10.5.2 滞后阈值分割电路设计381
10.5.3 Verilog代码设计382
10.5.4 仿真调试结果390
第11章 视频接口391
11.1 视频输入接口391
11.1.1 模拟视频输入391
11.1.2 CameraLink接口394
11.1.3　USB接口399
11.1.4　FireWire接口401
11.1.5 GigE Vision接口407
11.1.6 直接接口410
11.2 视频输出接口411
11.2.1 CVT标准411
11.2.2 VGA416
11.2.3 PAL425
11.2.4 DVI/HDMI433
参考文献441