基于FPGA的视频图像处理系统
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第一章绪论 ........................................................... 1
1.1 引言 .......................................................... 1
1.2 视频图像处理系统的发展及现状 .................................. 1
1.2.1 视频图像技术的应用范围 ...................................... 1
1.2.2 课题的研究意义 ............................................. 2
1.2.3 论文的内容和结构 ........................................... 3
第二章 视频信号理论基础 ............................................. 5
2.1 视频信号概述 .................................................. 5
2.2 视频信号数字化标准 ............................................ 6
2.2.1 ITU-60l/656 标准概述 .................................... 6
2.2.2 视频数据格式[6] ......................................... 8
2.3 视频信号的处理过程 ............................................ 9
2.4 典型视频图像处理系统 ......................................... 10
第三章 FPGA 及片上可编程系统 SOPC 简介 ............................... 11
3.1 FPGA 介绍 .................................................... 11
3.2 硬件描述语言 ................................................ 13
3.3 Spartan-3FPGA 与嵌入式内核 MicroBlaze ........................ 14
3.4 SOC 和 SOPC 简介 .............................................. 16
3.5 Xilinx SOPC 集成开发环境 EDK[15] ............................. 17
3.5.1 EDK 中包含的工具 ........................................... 17
3.5.2 EDK 的开发流程 ............................................. 18
第四章 视频图像处理系统的设计与实现 ................................. 20
4.1 基于 FPGA 的视频图像处理系统的硬件平台的方案 .................. 20
4.2 视频图像采集芯片 SAA7113 及初始化 ............................ 20
4.2.1 芯片 SAA7113 介绍 ....................................... 20
4.2.2 I2C 总线 .............................................. 22
4.2.3 SAA7113 的配置 ......................................... 26
4.3 FPGA 采集数据控制原理 ........................................ 28
4.3.1 SAA7113 的时序 ........................................ 28
4.3.2 软件设计 ............................................... 29
4.4 存储模块设计 ................................................. 31
4.4.1 SRAM 接口电路的设计 .................................... 31
4.4.2 SRAM 读写控制时序设计 .................................. 32
4.4.3 采集模块仿真 ........................................... 33
第五章 VGA 视频显示设计 ............................................. 35
5.1 VGA 显示方案框图 ............................................. 35
5.2 THS8134 的时序 ............................................... 36
5.2.1 THS8134 的配置[25][26] ................................. 36
5.2.2 输入与同步消隐控制信号的关系[27][28] ................... 37
5.3 VGA 接口模块设计 ............................................. 38
5.3.1 VGA 接口时序 ........................................... 38
5.3.2 VGA 信号转换 ........................................... 40
5.3.2 帧频变换 ............................................... 40
5.4 VGA 显示模块实现 ............................................. 40
5.5 系统调试 .................................................... 41
第六章 结论与展望 ................................................... 42
6.1 结论 ........................................................ 42
6.2 展望 ........................................................ 42
参考文献 ............................................................ 44
摘要
视频图像处理的应用越来越广泛，各种处理算法也日趋成熟，相关的硬件技
术不断地推陈出新。特别地，在视频图像处理系统设计中，数据量大，要求处理
速度快，灵活性高，FPGA 有其独特的优势。鉴于此，本文对基于 FPGA 和SOPC
技术的视频图像处理系统进行了研究。
本文介绍了 Xilinx 公司 FPGA 的结构和功能特点，以及可编程片上系统的开
发工具和片内系统设计流程。选择视频转换芯片 SAA7113，完成视频图像采集模
块的设计，主要分三步完成：1)配置视频转换芯片的工作模式，完成视频转化芯片
SAA7113 的初始化：2)通过分析输出数据流的格式标准，来识别奇偶场信号、场
消隐信号和有效行数据的开始和结束信号三种控制信号，并根据控制信号，用
Verilog 硬件描述语言编程实现图像数据的采集；3)采用 Cypress 公司的 CY7C1049
SRAM 完成图像数据的存储。然后编写软件测试文件，在 ISE Simulator 仿真环境
进行程序测试与运行，并分析仿真结果，验证了数据采集和存储的正确性。验证
表明本设计能满足高分辨率和高帧率的实时图像处理，占用系统的资源很少，用
最少的时间完成了图像数据的采集，提高了系统的效率。本文根据 VGA 显示原理
及其时序关系，设计了 VGA 显示输出控制模块。对显示芯片的工作模式进行了配
置，合成了 VGA 工作的控制信号；根据 VGA 显示器的工业标准，合成了 VGA
接口的水平和帧同步信号。
本文最后对系统进行了调试。经实验验证，系统达到了实时性，能正确和可
靠的工作。
关键词：FPGA SOPC 视频图像 IP 核
ABSTRACT
The application of video image processing technology is becoming more and more
widespread．Many kinds of arithmetic of image processing are more mature and relative
hardware technology is upgrading constantly. Specially, FPGA has the superiority in
video image processing system because of its ability to process a great amount data，its
high speed and good flexibility .
So, this paper has conducted the research on video image processing system based
on FPGA and SOPC technology The paper introduces the structure and functional
characteristics of Xilinx corporation FPGA, me SOPC development kit and design flow
in chips ．In the video sample module, the video decoding chip SAA7113 has been
chosen to finish this part by three steps, a) Finishing the initialization of SAA7113 by
configuring the work pattern of the chap. b) Writing Verilog HDL(Hardware
Description Languages)source code to sample image data by analyzing the output data
format. c) Writing control storage by analyzing read and write timing. Third, applying
ISE environment to build a model to implement smoothing, sharpening reference
algorithm．
Last according the VGA principle and scheduling of the THS8134, the paper
designs a VGA-control module by HDL. Firstly, the control signal is synthesized.
Secondly, the horizontal and vertical synchronization signals are synthesized according
to the VGA interface standard.
The experiment confirms that this system can work reliably and real-time.
Key words：FPGA SOPC Video image IP CORE
第一章绪论
1
第一章绪论
1.1 引言
人类已经进入一个高速发展的信息化时代，人类大概有 70％以上的信息来自
图像，图像等形象性信息所占比例同步提高。在科学研究和技术应用中，图像处
理技术越来越成为不可缺少的手段。视频图像就是连续的静态图像的序列，是一
种对客观事物更为形象，生动地描述。
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，视频图像技术近年来得到了极大的
重视和长足的发展，人们在选择学习和娱乐信息时，不再是单纯的枯燥文字信息，
丰富多彩的图片和视频信息越来越成为人们的首选。并且对视频和图像处理技术
的要求不断攀升，新的需求催生新的技术，主要体现在从标准清(SD)到高清
(HD)，分辨率越来越高，要求实时处理的数据量越来越大；视频和图像压缩技术
日益复杂，如 MPEG.4，H.264AVC，JPEG2000 等；对视频系统智能化的要求提
高，如智能拍摄、运动检测、对象识别、多通道、画中画、透明叠加效果等；消
费者欣赏能力的提高，希望图像更稳定、更清晰、色彩更艳丽、亮度更符合人眼
的感官需求。[1]
视频图像处理的各种处理算法也日趋成熟，相关的硬件技术不断地推陈出新。
毫不夸张地说，图像处理将很长一段时间成为信息技术的热门课题与前沿领域。
1.2 视频图像处理系统的发展及现状
1.2.1 视频图像技术的应用范围
随着计算机技术和半导体工业的发展，视频图像处理技术的应用将更加广泛，
总结其应用领域，大致有以下几个方面：
(1)在通信和电子商务中的应用。当前通信的主要发展方向是声音、文字、图
像和数据相结合的多媒体通信，也就是将电话，电视和计算机以三网合一的方式
在数字通信网上传输。其中以视频图像通信最为复杂和困难，因其数据量十分巨
大，如传送彩色电视信号的速率达 100Mb/s 以上。要将这样高的速率的数据实时
传送出去，必须采用图像理中的编码压缩技术来达到目的。
(2)在生物医学中的应用。视频图像处理在生物医学工程方面有非常广泛的应
用，无论是临床诊断还是病理研究都采用图像处理技术，而且很有成就。它的直
摘要：
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