基于fpga的图像处理系统设计

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1、基于FPGA的图像处理系统设计摘要根据目前基于FPGA的图像处理现状以及FPGA器件发展趋势，确定了以CycloneIIFPGA作为主处理芯片，建立了基于NIOSII精简指令架构嵌入式处理器的SOPC像处理系统。硬件部分在QuartusII和SOPCBuilder中进行开发；软件在NIOSIIIDE中进行开发，编程实现SD卡驱动，文件读取，图像SURF特征点提取以及特征线段的计算。对系统进行了全面的软硬件优化，加快了系统处理速度。【关键词】FPGAQuartusIISOPCBuilder图像处理像处理算法具有多样性和复

2、杂性，而随着图像实时性要求的增加，处理速度成为了图像处理的瓶颈。可编程阵列（FPGA）具有硬件可编程性和并行处理性，而利用FPGA来实现的可编程片上系统（SOPC）既具有模板设计的特性，又具有ASIC的系统级设计特性，可以大大缩短系统的开发周期。1FPGA特点从某些方面上看，FPGA也是一种专用集成芯片，它们具有专用集成芯片的特点，同时，还有自己付的优势：（l）FPGA需要的较少的资金投入，风险较低。FPGA设计者可以在特定的软硬件平台上进行芯片的功能方面设计，不需要投片，所以在这方面没有风险，也不用任何费用。（2）总

3、的来说，FPGA的规模不断变大，开发投入不断减少，可多次编写、擦除，功能强，灵活且保密性好，有较智能的开发工具，因此，用可编程门阵列进行设计的优势越来越明显，应用领域越来越广。2系统总体设计该系统主要由嵌入式NIOSII处理器，外部SRAM、FLASH等存储器，PIO,外部SD卡以及系统内部相关组件构成，如1所示。系统的工作流程是：首先通过SD卡接口驱动外部SD卡，读取SD卡中存储的图像，随后利用简化SURF算法，定位罔像中的特征点并建立描述子，虽终实现特征线段的计算所求取的特征线段可以用来进行日标定位。3系统软硬件开

4、发系统开发由硬件和软件两部分组成。系统硬件是最底层的部分。首先在SOPCBuilder中完成系统软核的搭建，随后由QuartusII建立系统顶层模块，井编译生成系统，软件部分在NIOSHIDE中开发，编程实现设备驱动、图像读取、简化SURF算法以及特征线段的计算。3.1硬件组成首先根据系统需要选择台适的NIOSIICPU类型以及配套相关外设，SOPCBuilder会自动将这些组件连接到Avalon总线上，随后对系统进行地址和中断号的分配，即可生成SOPC软核。本系统中的CPU代表NIOSII处理器，频率为120MHz,

5、为提高高系统性能，选择了快速型（NIOSII/f）NIOSII处理器。选择了速度较快的SRAM和一片32Kbyte的片上存储器，用来来提高系统速度。另外，还在系统中添加了Avalon流水桥，使部分设备通过流水桥与NIOSII进行通信。形成流水线，提高了系统的最大时钟频率。在SOPCBuilder中生成软核之后，使用QuartusII建立系统的顶层模块，并进行编译，生成系统的硬件平台。3.2软件设计首先编程实现驱动外部SD卡，读取存储在其中的图像文件；随后，利用简化的SURF算法提取图像中的特征点。并建立描述子，完成图像

6、匹配。本系统所用SURF算法主要在两方面进行了简化：（1）图像金字塔的层数。由于本系统的同的是求取特征线段的长度，因此只需要少量的特征点即可，故系统所建立的图像金字塔仅有3层，以减少建立图像金字塔所用的时间。（2）简化特征点描述子。描述子的建立方法是借鉴文献中的方法，并没有使用原SURF中的方法。使用建立过程较为简单的方法虽然提供的信息没有原算法多，但却可以提高系统的处理速度。4系统优化为了更好地利用FPGA资源，改善系统运行速度的，对系统进行了软件和硬件方面的优化。4.1硬件优化硬件优化主要在以下几方面：（1）NIO

7、SII处理器类型的选择。快速型处理器内核具有较高的性能，可以实现较快的处理速度。（2）添加浮点自定义指令。SURF算法中有大量的浮点数计算，通过添加浮点自定义指令可以加快浮点数的计算速度，减少系统处理时间。（3）QuartusII的编译选项。在QuartusII的编译选项中通过编译选项，选择对速度进行优化，改善系统性能。4.2软件优化软件优化主要在以下4个方面：（1）算法优化。使用了简化的SURF算法，降低了算法的复杂度和运算量。（2）优化工程大小。NIOSII工程的运行速度与工程大小有直接关系。（3）程序运行内存的选

8、择。系统RAM使用了速度较快的SRAM,并使用SOPC系统中配置的片上存储器来存放可读写的数据以及栈内存，提高了数据读取的速度，从而提高了系统的性能。（4）编译器优化。在NIOSIIIDE的优化选项中，选择了最高级别的优化选项Optimize（-03），测试表明使用该级别的优化选项的运行速度确实是最快的。5结论本文开发了一种基于F