基于FPGA的圖像預處理系統設計

劉心剛，郭飄，聶江華，喻小龍

（1.中國航空工業集團雷華電子技術研究所，無錫214063；2.南昌航空大學，南昌330063）

0 引言

在如今的互聯網信息時代，圖像處理技術對人們來說有著重要意義。人們通過圖像直觀地感受世界，獲取圖像中隱含的信息。在各行各業中，圖像信息發揮著重大作用。在采集圖像和處理圖像的過程中，存在圖像獲取方式的影響，造成了獲取的圖像產生噪聲或發生畸變等意想不到的結果。因此，對圖像進行預處理變得尤為重要。由于嵌入式的圖像處理系統處理速度緩慢，為了更好地滿足系統實時性，需要找出一個實時性好、處理效果好的硬件平臺。在眾多的硬件平臺中，本文結合FPGA的性能特點，以Zynq V7000 FPGA芯片作為硬件平臺，結合相應的圖像預處理算法來實現的一個系統，Zynq將FPGA和ARM有機地結合起來，能夠實現獨特和差異化的系統功能，在其相應的開發環境Vivado中，對FPGA的串口、緩存區等進行配置，搭建一個適應FPGA運行的框架，再針對ARM做內部的編程，實現預處理算法的功能，實時處理圖像數據。

1 系統總體設計

結合Zynq V7000 FPGA芯片的特點，基于Zedboard系統實現圖像預處理。系統整體流程圖如圖1所示。

圖1系統整體流程圖

2 軟件設計

2. 1 上位機設計

上位機通信程序使用的是MFC界面庫進行開發的，以對話框的形式呈現。主要實現的功能有：打開圖片文件，在編輯框中顯示選擇的文件路徑，在圖片控制框中顯示處理前圖片。在串口的選擇時首先對串口進行掃描，將打開的串口在Combo Box的下拉框中添加其串口號即可完成串口的選擇。在波特率的選擇上，首先在初始化時將常用的幾個波特率添加到波特率選擇的下拉框中，當選擇其中的一個波特率時，直接讀取當前選取的波特率。同樣地，預處理算法的選擇框在初始化時添加本課題使用的預處理算法，將選中的索引獲取，賦予每個算法一個編號，便于給FPGA發送選擇的預處理算法，等待處理完成后在處理后圖片顯示框中顯示處理后的圖片。為了提高整個系統的運行性能，加入了多線程和用戶自定義消息處理機制。圖2為上位機與FPGA通信界面。

圖2上位機與FPGA通信界面

2. 2 上位機與FPGA通信算法

上位機與FPGA是通過串口進行通信的。上位機主要執行流程為選擇需要進行預處理的圖片文件，設置串口參數，獲取預處理算法編號，發送預處理算法編號，發送圖片大小，發送圖片數據，等待FPGA處理完成發送回數據，接收處理之后的圖片大小、圖片數據，再顯示處理完成的圖片。圖3為上位機流程圖。

2. 3 預處理算法

在本文中，主要設計的是對圖像進行預處理，使用的算法有圖像的均值濾波、幾何畸變校正以及邊緣檢測。本文只介紹幾何畸變校正。

在通過數碼相機獲得圖形時，由于相機鏡頭本身的構造原因，會導致圖像的幾何畸變，一般都是因為光學的成像系統與理想的情況不一致，尤其在廣角鏡頭下，拍攝圖片時會導致圖像的邊緣形成嚴重的畸變現象，這種非線性畸變是非常難去除的。因此，一種好的幾何畸變校正方法對人們用數碼相機拍攝的成品能起到很大的作用，對景物的記錄、對信息的讀取都有很大的幫助。

圖3上位機流程圖

幾何畸變校正是將畸變圖像的坐標經過幾何變換后校正成正常坐標。幾何變換有以下兩個步驟：一是空間變換，二是灰度插值。空間變換是為了找出畸變圖像和正常圖像像素點之間的對應關系，對畸變圖像每一個點坐標進行修正得到在正常圖像中的精確對應位置；灰度插值是為了計算出精確的灰度值，由于正常圖像中對應的坐標往往不是整數，因此需要使用插值算法擬合出該點的準確灰度值，這樣便可以完成整個的畸變校正過程。此過程如圖4所示。

圖4幾何校正流程圖

3 系統調試

上位機與FPGA通信使用的是串口通信，通過串口發送和接收數據。下面通過系統調試驗證上述3種預處理算法，本文只介紹幾何畸變校正調試結果。幾何畸變校正效果圖如圖5所示。

圖5幾何畸變效果圖

由圖5的效果圖可見，系統可以正常地實現算法，可以實現將產生幾何畸變的圖像校正為正常圖像，由此可見系統調試成功。

4 結語

本文完成了一個基于Zynq的圖像預處理系統，具體為上位機選擇相應的下位機通信串口號、通信比特率等設置后，選擇需要處理的圖片和測試的算法后，點擊處理按鈕上位機將通過串口把圖像數據發送給FPGA；FPGA接收到圖像數據后，對圖像數據進行初始的處理，再對選擇的相應的算法進行處理后，得到的結果圖像數據通過串口傳送回上位機；上位機接收到結果后，把結果進行保存和顯示。