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基于NiosII的数字图像处理
—《数字图象处理》课程论文

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2010.10.20

基于NiosII的数字图像采集及处理

摘要：
本文是以NiosII软核CPU为核心处理器，在FPGA中构建SOPC，实现原来主要由DSP完成图像处理和图像显示控制，简化了硬件电路和软件程序的设计。系统采用软核CPU、DSP软模块、FPGA以及数字视频技术。从数字摄像头输入视频信号，据经视频解码芯片输出送至FPGA中，通过时序控制和NiosIIII软核把视频解码数据依序存储在SSRAM中，并进行裁剪、交织、颜色处理。最后，在VGA显示器上显示图像。
关键词：
图像采集；FPGA；NiosIII软核；SOPC_Builder；AlteraDE0；采集控制；图像处理；VGA控制器；DSP；中值滤波；FIR滤波
一、NiosII系统概念NiosII嵌入式处理器是Altera推出的软核（SoftCore）CPU，是一种面向用户，可以灵活定制的通用RISC（精简指令集架构）嵌入式CPU，采用RISC精简指令系统，流水线处理技术，用户可自定义Avalon总线外设构成SoC系统，支持32bit存储宽度，支持DDR2、SSRAM存储器。
NiosII是一种可配置片内外设的软核CPU，硬件上相当于集成于FPGA中的一个IP核，SOPC是对其开发的软件环境，可以用C语言编程，而FPGA其他资源可以通过编程（VHDL/VerilogHDL）实现其外围电路。SOPC_Builder是Altera公司专门为硬件设计人员开发的一套系统设计工具，通过它可以创建NiosIICPU设计项目，从而为设计人员提供SOPC设计必需的软硬件设计平台，利用SOPC_Builder创建NiosII系统。当用户使用SOPC_Builder创建一个新的NiosII系统时，SOPC_Builder会为该系统自动生成一个后缀为PTF的文件，所有的系统设计信息都存储在该PTF文件中。当使用SOPC_Builder重新打开一个已有的系统时，SOPC_Builder会从并且只会从该PTF文件中读取系统具体设计信息。SOPC_Builder可以帮助设计者从IP库中寻找合适的IP并很快地集成一个系统，它采用图形用户界面（GUI）显示和组织IP模块，能够自动生成IP模块互连逻辑，并生成用于综合和模拟的文件，使设计者不需要考虑IP模块间的内部联系，可以轻松地完成整个系统设计。
二、系统结构
AlteraDE0多媒体开发平台是一套轻薄型的开发板，同时实现了低功耗、低成本和高性能，板上集成了AlteraCycloneIII系列中的EP3C16FPGA，可提供15408Les(逻辑单元)以及346I/O，內建56个M9K记忆体模块，56个乘法器，504KRAMbits，4个锁相环，可以支持复杂的数据处理算法。
在DE0开发板上的EP3C16的FPGA中应用NiosII嵌入式处理器作为系统的图像处理和时序控制核心处理器，使用高性价比的FPGA芯片有其独特优势：
首先，NiosII软核嵌入式开发，可在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求，可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。具有灵活性、高性能、低成本、生命周期长等特点。NiosII支持MicroC/OS-II、uClinux等多种实时操作系统，支持轻量级TCP/IP协议栈，NiosII处理器允许用户增加自定义指令和自定义硬件加速单元，无缝移植自定义外设和接口逻辑，极大地缩短了系统的开发周期。
再次，与单片机和DSP相比，FPGA在多路数字图像数据并行采集方面具有明显优势。单片机受指令周期以及处理速度的影响，难以对多个通道、A／D组成的传感器阵列进行控制，且其总线宽度有限，对于多路数据采集来说，存在数据带宽不足的瓶颈。若采用多个单片机并行的方式，则又造成了系统复杂、功耗高、体积大等致命缺点。DSP虽然可以实现较高速的数据采集，但在其速度提高的同时，也增加了系统的硬件成本，特别是DSP的各种功能需要靠软件的运行来实现，其时间消耗在整个采样时间中所占比例偏大，因此其实际执行的速度和效率不高。FPGA能有效克服单片机和DSP的上述缺点，它的全部控制逻辑均由硬件完成，具有时钟频率高、内部延时小、编程配置灵活的特点，可以集采样控制、处理、缓存、传输控制和通信于一个芯片内，有利于系统的功能性和便携性设计。
系统处理的图像是彩色图像，它是通过CMOS摄像头采集的8位差分信号的彩色图像，经过FPGA的处理后，再经过VGA控制器模块转换形成图像显示。所以，在FPGA运算过程中可以使用8位数据，其灰度级为0到255之间。图像视场大小为：640×480，即每行有480个像素，共有640行，视场内共有307200个像素数