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基于DSP和FPGA架构的嵌入式图像处理系统设计
摘要
随着嵌入式系统在各行业中的应用，嵌入式图像处理技术也变得越来越重要。本文介绍了基于DSP和FPGA架构的嵌入式图像处理系统的设计、实现和应用。该系统采用了DSP和FPGA作为计算核心，并进行了高效的图像算法实现，实现了图像采集、处理、储存和显示等功能。实验结果表明，该系统具有较高的处理速度和较低的功耗，能够满足嵌入式图像处理的实际需求。本文的研究成果可应用于无人机、工业视觉、医疗影像等领域。
关键词：DSP、FPGA、嵌入式、图像处理、算法设计
Abstract
Withtheapplicationofembeddedsystemsinvariousindustries,embeddedimageprocessingtechnologyhasbecomeincreasinglyimportant.Thispaperintroducesthedesign,implementation,andapplicationofanembeddedimageprocessingsystembasedonDSPandFPGAarchitecture.ThesystemusesDSPandFPGAascomputingcoresandimplementsefficientimagealgorithmstoachievefunctionssuchasimageacquisition,processing,storage,anddisplay.Experimentalresultsshowthatthesystemhashighprocessingspeedandlowpowerconsumption,andcanmeettheactualneedsofembeddedimageprocessing.TheresearchresultsofthispapercanbeappliedtofieldssuchasUAVs,industrialvision,andmedicalimaging.
Keywords:DSP,FPGA,embedded,imageprocessing,algorithmdesign.
一、引言
图像处理技术是计算机视觉领域中重要的一环，近年来随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式图像处理技术也逐渐崭露头角。嵌入式图像处理系统可以在精简的硬件和软件环境下实现各种高级算法，已被广泛应用于无人机、工业视觉、医疗影像等领域。为了提高嵌入式图像处理系统的性能，本文设计了一种基于DSP和FPGA架构的嵌入式图像处理系统。
二、系统设计
该嵌入式图像处理系统基于TMS320DM642DSP和XilinxSpartan-6LX9FPGA构建，系统框图如下图所示：
图1系统框图
系统主要包括图像采集模块、图像处理模块、图像储存模块和图像显示模块。其中，图像采集模块采用OV7670CMOS摄像头，可以实现VGA分辨率的图像采集；图像显示模块采用了24位TFT彩色液晶显示屏，支持VGA分辨率的图像显示。图像处理模块主要由DSP和FPGA实现，具体实现过程将在第三部分介绍。
三、系统实现
（一）图像采集模块
图像采集模块采用了OV7670CMOS摄像头，该传感器输出YUV422格式的数字视频信号。由于该信号与DSP的输入格式不一致，因此采用了ADV7280A芯片进行格式转换，将视频信号转换成16位YCbCr422格式的数字视频信号。DSP采用DMA传输方式获取数据，并将数据保存在内存中。
（二）图像处理模块
图像处理模块主要由DSP和FPGA实现，其中DSP负责图像处理算法的实现，FPGA则负责高速缓存和数据传输。
DSP采用TI官方提供的DSP/BIOS实时操作系统进行软件开发，并实现了图像处理算法，如锐化、灰度化、边缘检测等。由于DSP的计算速度较慢，因此采用了优化的算法实现。例如，在锐化算法中采用了快速预处理算法，大大提高了计算速度。另外，为了改善DSP在图像储存方面的性能，采用了SD卡进行储存，提高了储存速度。
FPGA的主要任务是实现高速缓存和数据传输。由于DSP的数据传输速度较慢，因此在FPGA中使用了双缓存机制，将已处理的数据保存在缓存中，以便后续操作。同时，FPGA还负责将缓存中的数据传输到SD卡中进行储存。
（三）图像储存模块
图像储存模块采用了SD卡进行储存，采用了FAT32文件系统。由于DSP的速度较慢，因此在储存图像时采用了FPGA进行加速，提高了储存速度。
（四）图像显示模块
图像显示模块采用了24位TFT彩色液晶显示屏，支持VGA分辨率的图像显示。DSP负责从SD卡中读取图像数据，并通过FPGA进行处理。处理后的数据再由FPGA传输到液晶显示屏中显示出来。
四、实验结果
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