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基于FPGA的视频图像预处理系统的设计与实现
摘要
本文设计并实现了一种基于FPGA的视频图像预处理系统，该系统包括视频采集模块、图像预处理模块和视频输出模块。在视频采集模块中，使用了高分辨率CMOS相机采集视频信号，通过图像预处理模块进行图像去噪、图像增强和图像纠正等处理，最终将处理后的图像信号通过视频输出模块输出。实验结果表明，该系统能够满足实时视频处理的要求，并具有较好的预处理效果。
关键词：FPGA；视频图像预处理；去噪；图像增强；图像纠正
1.引言
随着数字视频技术的发展和广泛应用，对视频图像预处理技术的要求也越来越高。视频图像预处理技术是指对数字视频信号进行去噪、增强、纠正等处理，以提高视频图像的质量和清晰度，为后续处理提供更好的基础。FPGA（FieldProgrammableGateArray）作为一种可编程电路设计工具，在视频图像预处理中具有很强的应用价值。
2.系统设计
本文所设计的基于FPGA的视频图像预处理系统包括三个部分：视频采集模块、图像预处理模块和视频输出模块。视频采集模块使用高分辨率CMOS相机采集视频信号，通过FPGA进行数字化处理。图像预处理模块对数字化后的视频信号进行去噪、图像增强和图像纠正等处理。视频输出模块通过DVI接口将处理后的图像信号输出。系统架构图如图1所示。
图1系统架构图
2.1视频采集模块
视频采集模块采用了高分辨率CMOS相机采集视频信号，并通过双向DMA方式将视频数据传输到FPGA中。双向DMA设计能够实现数据的快速传输和缓存，采集到的数据流不会因为IO带宽的限制而受到影响。视频采集模块采用的CMOS相机类型为OmniVisionOV5640，其参数见表1。
表1OmniVisionOV5640参数
参数|值
----|----
图像传感器|500万像素CMOS
图像分辨率|2592x1944
接口|MIPICSI
最大帧率|30fps
2.2图像预处理模块
图像预处理模块采用FPGA进行图像去噪、图像增强和图像纠正等处理。图像去噪采用基于小波变换的方法，能够有效地去除图像中的噪声。图像增强采用直方图均衡化的算法，能够提高图像的对比度和亮度。图像纠正则采用最小二乘法，能够对图像进行去畸变处理和校正，从而更好地保持图像的几何形状。
2.3视频输出模块
视频输出模块采用数字视频接口（DVI）接口，将处理后的图像信号输出。DVI接口是数字接口标准之一，它采用高速串行传输方式，能够在保持图像质量的前提下提供高分辨率视频输出。该模块还具备VESADDC（DisplayDataChannel）功能，能够自动识别和优化显示输出。
3.系统实现
本系统采用XilinxVirtex7FPGA进行设计和实现，开发工具为Vivado2015.3。图2展示了系统实现的详细流程。
图2系统实现流程图
3.1视频采集模块实现
视频采集模块的设计使用OmniVisionOV5640相机，通过Vivado设计工具进行硬件设计，并借助ImageSensorInterface（ISI）模块实现MIPI接口标准的传输。ISI模块是Vivado中的一个IP核，用于以MIPI方式控制图像传感器并获取标准图像流。视频信号传输完毕后，采用AXI4-Stream协议进行数字化转换，传输至FPGA的内存中进行存储和处理。双向DMA模块的实现则是利用XilinxDMAIP核，并在DMA模块内部设计寄存器，从而实现读写核心控制信号的传输。
3.2图像预处理模块实现
图像预处理模块的设计主要包括去噪、增强和纠正三个部分。去噪部分采用小波变换方法，使用线性无损滤波器对噪声进行抑制，从而得到更清晰的图像。增强部分采用直方图均衡化算法，能够增加图像的对比度和亮度，并在去噪的基础上进一步提高图像质量。纠正部分则采用最小二乘法进行图像去畸变和校正，能够准确地还原图像的几何形状。整个预处理模块的实现基于Vivado内置的图像处理IP核，并在IP核的基础上进行定制化的功能扩展。
3.3视频输出模块实现
视频输出模块使用特定的DVI输出模块，将处理后的数据通过DVI接口输出。DVI输出模块的实现基于DVI协议的相关接口设计，包括VGA输出和HDMI输出。通过相应的控制信号，可以实现图像分辨率、帧率和刷新率的自定义设置，以适应不同的显示设备需求。
4.实验结果
本文设计的基于FPGA的视频图像预处理系统经过实验验证，能够实现高效、准确和稳定的图像预处理功能。通过预处理模块的去噪、增强和纠正处理，实验结果表明：图像的清晰度和质量均有所提高。在实际测试过程中，系统工作稳定，能够满足实时处理的要求，并能够适应不同应用场景下的图像处理需求。
5.结论
本文设计并实现了一种基于FPGA的视频图像预处理系统，该系统能够高效地对数字视频信号进行去噪、增强和