基于Xilinx Zynq的软硬件协同设计的实时图像处理系统

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1、单位代码：10293密级：专业学位硕士论文论文题目：基于XilinxZynq的软硬件协同设计的实时图像处理系统学号1312120106姓名朱炎均导师徐小龙专业学位类别工程硕士类型申请在职专业申请（领域）计算机技术论文提交日期2017年10月29日ImageProcessingSystemBasedonHardware/softwreCodesignofXilinxZynqThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfort

2、heDegreeofMasterofEngineeringByZhu,YanjunSupervisor:Prof.Xu,XiaolongOctober2017南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本

3、人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名：_____________日期：____________南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生

4、签名：____________导师签名：____________日期：_____________摘要软硬件技术的不断进步，促使图像处理系统被广泛应用于工业自动化、安全、健康和交通控制领域。为了完成各个系统的功能，这些应用中的最重要的也是最具有挑战性的要求是系统的实时性。现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArrary:FPGA）具备并行结构，硬件上能够高速并行处理数据而被广泛应用于这些系统，但是系统的功能丰富的应用软件是基于中央处理单元（CentralProcessingUni

5、t:CPU）或微控制器单元（Micro-controllerUnit:MCU）开发的顺序执行的程序，在处理大量数据的计算时，会带来明显的时间延迟。可编程片上系统(SystemonProgrammableChip:SOPC)的发展，单片芯片内集成了FPGA和MCU内核，降低了系统的软硬件协同设计的难度，设计者合理划分软硬件对应的功能，能够提高系统的实时性。系统功能的软硬件协同设计是系统实时性能提升的保障。针对国内外的典型图像处理系统的问题，本文设计基于ZynqSoC的实时图像处理系统。完成灰度转化和卷积

6、运算的软硬件协同设计，并且应用在图像上实现如边缘检测、锐化和模糊处理上。系统实现了320*240图像的实时灰度转换、边缘检测、模糊和锐化处理。本文设计的卷积协处理器通过内置的锁相环工作频率在150MHz，单帧图像像素为76800（320*240），单像素/时钟周期率下，一帧图像的处理时间约为0.51mS，对应的的协处理器的图像处理能力能够高达近2000FPS(帧/秒)，但是采用了基于地址映射的高级扩展接口（AdvancedExtensibleInterface:AXI）总线，传输一帧图像需要25mS，

7、因此系统能够完成40FPS的实时吞吐量。本文主要工作包括：1、根据功能和系统的性能要求设计了软硬件协同处理的总体框架，系统可以由三级流水实现：图像采集（操作系统），图像处理（硬件算法）和图像输出（硬件）。值得指出的是，本文采用了FGPA中的视频图像阵列（VideoGraphicsArray:VGA）控制模块来输出最终的图像，同样功能也可以采用操作系统下调用系统软件内的显示驱动来实现。两种方式都是非常成熟完备的技术，所以文中并没有展开。2、软件上采用C设计了基于Linux下视频库下的软件来从USB摄像头

8、获取视频图像信息。避免了基于FPGA的纯硬件处理来自USB摄像头的视频图像，不需要对视频源设计特定的硬件接口驱动，简化了电路的设计，加快系统的设计周期，更增加了系统的灵活性。当然，视频图像信息也可以预先存在SD卡，Zedboard有SD卡槽。3、基于硬件实现的图像处理算法，本文设计了图像协处理器模块（InterProcessCommunication:IPC）来实现加速，图像存储模块(ImageMemory:IM)分别存储原始图像和处I理后的图像信息，系