基于FPGA的高速图像采集处理系统设计与实现

基于FPGA的MIPI CSI-2图像采集系统设计赵清壮【摘要】This paper elaborates a design of MIPI CSI-2 high-definition camera interface image acquisition system based on FPGA. Now, MIPI high-definition CCD is used widely, this design uses FPGA to achieve MIPI high-definition CCD collect and provides two outputs of LCD screen and USB, the data transmission is stable and reliable, it make MIPI interface camera applied widely by the other circuit systems, accelerates system development and saves cost.%阐述一种基于FPGA的MIPI CSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计，该设计用FPGA实现当前应用广泛的MIPI高清CCD采集，并提供LCD屏、USB两路输出，数据传输稳定可靠，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。

【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)029【总页数】2页(P84-85)【关键词】MIPI;CSI-2;图像采集;FPGA【作者】赵清壮【作者单位】广州飒特红外特股份有限公司，广州510000【正文语种】中文【中图分类】TP302.10 引言CSI（Camera Serial Interface)是由MIPI（Mobile Industry Processor Interface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI联盟旨在确定并推动移动应用处理器接口的开放性标准。

摘要随着机器视觉的广泛应用，以及工业4.0和“中国制造2025”的提出，在数字图像的采集、传输、处理等领域也提出了越来越高的要求。

传统的基于ISA接口、PCI接口、串行和并行等接口的图像采集卡已经不能满足人们对于高分辨率、实时性的图像采集的需求了。

一种基于FPGA和USB3.0高速接口，进行实时高速图像采集传输的研究越来越成为国内外在高速图像采集研究领域的一个新的热点。

针对高速传输和实时传输这两点要求，通过采用FPGA作为核心控制芯片与USB3.0高速接口协调工作的架构，实现高帧率、高分辨率、实时性的高速图像的采集和传输，并由上位机进行可视化操作和数据的保存。

整体系统采用先硬件后软件的设计方式进行设计，并对系统各模块进行了测试和仿真验证。

通过在FPGA 内部实现滤波和边缘检测等图像预处理操作，验证了FPGA独特的并行数据处理方式在信号及图像处理方面的巨大优势。

在系统硬件设计部分，采用OV5640传感器作为采集前端，选用Altera的Cyclone IV E系列FPGA作为系统控制芯片，由DDR2存储芯片进行数据缓存，采用Cypress公司的USB3.0集成型USB3.0芯片作为数据高速接口，完成了各模块的电路设计和采集卡PCB实物制作。

系统软件设计，主要分为FPGA逻辑程序部分、USB3.0固件程序部分和上位机应用软件部分。

通过在FPGA上搭建“软核”的方式，由Qsys系统完成OV5640的配置和初始化工作。

由GPIF II接口完成FPGA和FX3之间的数据通路。

通过编写状态机完成Slave FIFO的时序控制，在Eclipse中完成USB3.0固件程序的设计和开发。

上位机采用VS2013软件通过MFC方式设计，从而完成整体图像采集数据通路，并在上位机中显示和保存。

整体设计实现预期要求，各模块功能正常，USB3.0传输速度稳定在320MB/s，通过上位机保存至PC机硬盘的图像分辨率大小为1920*1080，与传感器寄存器设置一致，采集卡图像采集帧率为30fps，滤波及边缘检测预处理符合要求，采集系统具有实际应用价值和研究意义。

基于FPGA的高速图像采集系统设计引言在低速的数据采集系统中，往往采用单片机或者DSP进行控制；而对于图像采集这种高速数据采集的场合，这种方案就不能满足需要。

因此这种方案极大浪费了单片机或DSP的端口资源且灵活性差；若改用串口方式收集数据，则一方面降低了数据采集的速度，另一方面极大地耗费CPU的资源。

本系统采用FPGA作为数据采集的主控单元，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、成本低、灵活性强。

为了增加缓冲功能，系统在FPGA外扩展了256Mb的RAM，不仅增大了缓冲区容量，而且极大地降低了读写频率，有效地减轻了上位机CPU的负担。

在图像数据接口中，比较常见的是VGA、PCI—Express，而这些接口扩展性差、成本高。

本系统采用高速的USB接口作为与上位机通信的端口，速度快、易安装、灵活性强。

1 系统框图系统框图如图1所示。

FPGA控制单元采用A1tera公司Cyclone II系列的EP2C5F256C6，主要由4个部分组成——主控模块、CMOS传感器接口、RAM 控制器以及EZ—USB接口控制器。

传感器接口负责完成SCCB时序控制，RAM控制器用于实现RAM读写与刷新操作的时序，USB接口模块完成主控模块与EZ—USB之间的数据读写；而主控模块负责对从EZ—USB部分接收过来的上位机命令进行解析，解析完命令后产生相应的信号控制各个对应模块，如CMOS传感器传输的图像格式、RAM的读写方式、突发长度等。

2 OV7620模块设计图像传感器采用OV7620，接口图如图2所示。

该传感器功能强大，提供多种数据格式的输出，自动消除白噪声，白平衡、色彩饱和度、色调控制、窗口大小等均可通过内部的SCCB控制线进行设置。

OV7620属于CMOS彩色图像传感器。

它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fps；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种。

基于FPGA的图像处理系统设计与实现图像处理是计算机视觉领域中的重要技术之一，可以对图像进行增强、滤波、分割、识别等操作，广泛应用于医学图像处理、工业检测、安防监控等领域。

而FPGA（Field Programmable Gate Array）可编程门阵列，则是一种自由可编程的数字电路，具有并行处理能力和灵活性。

本文将介绍基于FPGA的图像处理系统的设计与实现。

一、系统设计流程1. 系统需求分析：首先需要明确图像处理系统的具体需求，例如实时性、处理的图像类型、处理的算法等。

根据需求，选择合适的FPGA芯片和外设。

2. 图像采集与预处理：使用图像传感器或摄像头采集图像数据，然后对图像进行预处理，如去噪、增强、颜色空间转换等，从而提高后续处理的准确性和效果。

3. 图像处理算法设计与优化：根据具体的图像处理需求，选择适合的图像处理算法，并对算法进行优化，以提高处理速度和效率。

常用的图像处理算法包括滤波、边缘检测、图像分割等。

4. FPGA硬件设计：基于选定的FPGA芯片，设计硬件电路，包括图像存储、图像处理模块、通信接口等。

通过使用硬件描述语言（如Verilog、VHDL）进行功能模块设计，并进行仿真和验证。

5. 系统集成与编程：将设计好的硬件电路与软件进行集成，包括FPGA程序编写、软件驱动开发、系统调试等。

确保系统的稳定运行和功能实现。

6. 系统测试与优化：对整个系统进行完整的测试和验证，包括功能性测试、性能测试、稳定性测试等。

根据测试结果，对系统进行优化，提高系统的性能和可靠性。

二、关键技术及挑战1. FPGA芯片选择：不同的FPGA芯片具有不同的资源和性能特点，需要根据系统需求选择合适的芯片。

一方面需要考虑芯片的处理能力和资源利用率，以满足图像处理算法的实时性和效果。

另一方面，还需要考虑芯片的功耗和成本，以便在实际应用中具有可行性。

2. 图像处理算法优化：在FPGA上实现图像处理算法需要考虑到算法的计算复杂度和存储开销。

基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要：随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用，对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。

本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统，通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究，实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输，为相关领域的探究和应用提供了重要支持。

一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术，具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。

它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。

红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要，然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。

因此，设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。

二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。

硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等；软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。

硬件框架设计接受分层结构，分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。

红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路，负责将红外辐射信号转换为数字信号。

控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路，负责采集信号的控制和同步。

存储层包括高速存储器和图像缓存，负责暂存采集到的红外图像数据。

传输层包括数据传输电路和网络接口，负责将采集到的图像数据传输到外部设备。

三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。

在红外图像采集层，红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号，经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。

在控制层，FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽，通过时钟控制电路实现同步。

在存储层，高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来，图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。

在传输层，数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。

基于T35F324的FPGA开发板图像采集显示系统方案1.前言个人觉得易灵思的TriOn系列比钛金系列FPGA,就目前而言，更适合做图像显示相关应用，以T35和巨60为例，主要原因如下表所示：易灵思如果专注图像细分领域，毕竟大部分客户还是用DDR和MIPI,因此我觉得钛金系列的架构真的脑袋被驴踢了，DDR和MIP1用硬核才是正确的选择！另外，钛金系列FPGA相对推出时间不够，目前IP也不成熟。

以T35为例，DDR硬核IP在EfinityInterface中直接可以调用DDRIP并设定相关参数，但是钛金系列Ti60还没有包含到工具链中，这让拿不到一手资源的FPGAer就很尴尬，虽然可以理解不集成到IDE中，可以更快的迭代前提不成熟的版本。

M1P1TX/RX 接口，山谷0.8mm40P 接口如上图所示，T35F324的FPGA 开发板，我都做了快半年了，一直没有做一个基于视频图像的像样点的DCm0,甚是惭愧。

为了给当下煎熬的大家送点福利，我打算分2步走，如下：DVP 相机+DDR3+1VDS-1CD 实时显示系统 MIPI 相机+DDR3+1VDS-1CD 实时显示系统前者更关注DDR3硬核、1VDSTX,以及进行并口相机的配置与图像采集，完成实时图像采集、缓存、显示系统；后者则借用1）的基础，更关注MIP1相机的开发，进一步把易灵思FPGA 进行图像采集的优势，发挥一下。

当然这过程肯定还是有不少的坑，有些坑只有自己趟过，才有发言权。

底板串口DC3-40用户接口，兼容兼容@01⑥MT拨动开关BMW 0V5生0等模MIP1摄像头Jr兼容树莓派rOV5640 Efint FPQABOa1Q CraZyfpg>iomEfin1tyT3SF324-Cor∙V1.1一«... M2X>S12202305152.FPGA设计详解言归正传，我们开始干正事：基于T35的摄像头采集、存储、显示系统的介绍。

基于FPGA的图像采集系统设计与实现作者：陈法领、罗海波发布时间：2009-03-101、引言视频图像采集是视频信号处理系统的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。

图像采集系统在当今工业、军事、医学各个领域都有着极其广泛的应用，如使用在远程监控、安防、远程抄表、可视电话、工业控制、图像模式识别、医疗器械等各个领域都有着广泛的应用[1]。

本文介绍了一种基于FPGA的图像采集系统，用户可以根据需要对FPGA 内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现系统的重构[1][2]；而且采用这种设计方案,便于及时地发现设计中的错误,能够有效地缩短研发时间，提高工作效率。

2、系统的总体框架和工作原理整个系统主要分为四个模块：视频解码模块、视频编码模块、存储器模块和FPGA核心控制模块，系统总体框架如图1所示。

图1 系统的总体框图其中FPGA实现的主要功能有：视频编解码器件的初始化，视频图像的采集存储以及将采集的图像数据通过视频编码芯片送到监视器上显示。

系统的工作原理为：系统上电后，FPGA通过FLASH中的程序对完成视频解码和编码芯片的初始化配置；在接到视频AD转换的中断信号后，FPGA将转换的数字图像数据传送到SRAM保存；一帧图像转换结束后FPGA再将SRAM中的数字图像传递给视频编码芯片以便在监视器上显示，同时开始控制下一帧图像的采集。

3、硬件电路设计3.1 AD和DA转换模块本系统采用的视频编解码芯片是ADV7181和ADV7177，下面分别介绍AD和DA转换器件的硬件电路设计。

3.1.1 AD转换模块ADV7181系统是AD公司推出的一款视频解码芯片[3]，它具有如下特点：I2C总线接口，6通道模拟视频输入，支持NTSC、PAL、SECAM视频制式，支持多种模拟输入格式和多种数字输出格式。

本系统中选用其中的通道1作为PAL制CVBS视频输入，数据输出可根据需要采用8位或16位的格式输出。

基于FPGA图像的采集与显示学生姓名：学生学号：院（系）：电气信息工程学院年级专业：指导教师：助理指导教师：二〇一五年五月摘要随着科技社会的飞速发展，数字图像采集与处理系统在科学研究、工业生产，日常生活等众多领域得到越来越广泛的应用，具有广阔的应用前景和研究价值。

在今天，具有图像显示功能的电子产品越来越多，由可视电话、数码相机，ipad 等消费电子产品到门禁系统、数字视频监视等工业控制以及安防产品，处处显示着数字图像采集与处理系统的重要性。

而针对于图像的采集与处理ARM、DSP、FPGA各有所长，其中FPGA的并行高速精确的处理在通信领域、图像处理、大屏显示等方面有着得天独厚的优势。

基于FPGA可编程器件的可编程特性，采用FPGA进行设计的图形采集系统有良好的可扩展性和相对稳定的硬件结构，利用软件编程和硬件逻辑电路来实现图像采集的软件算法，在很大程度上能够提高图像识别速度和系统的体积，大大节约了生产成本。

本次设计利用OV（OmniVision）公司生产的CMOS 7670摄像头进行图像的的采集以及简单的处理，Hynix公司的SDRAM芯片H57V2562GTR—75C做图像的临时存储，FPGA芯片采用的是Altera公司旗下的Cyclone系列芯片第四代产品EP4CE6F17C8N，利用其并行高速精确的优势实现640*480*60fps，每秒共30M带宽的VGA显示。

此次设计的目的是为了将数字图像采集与显示等功能集成在一块单板上。

利用本系统的电路板对图像进行采集、缓存以及通过VGA实现实时显示，在使用过程中摄像头能够正常实现图像采集，SDRAM能够顺利完成图像的存储与读取，FPGA芯片以及程序能够保证整个系统正常运行，并且在VGA显示时图像没有错位和乱码的产生。

关键词图像的实时采集与显示，FPGA，VGA显示ABSTRACTWith the rapid development of science and technology society, the digital image acquisition and processing system in scientific research, industrial production, daily life and so on many fields more and more widely used, has a broad application prospect and research value.Today, which has the function of image shows more and more electronic products, by video phone, digital camera, the consumer electronics products such as the entrance guard system, industrial control, such as digital video surveillance and security products, shows the importance of digital image acquisition and processing system.And for image acquisition and processing of ARM, DSP, FPGA strengths, including the FPGA parallel high-speed precise processing in the field of communication, image processing, display, etc, has a unique advantage.Based on the FPGA programmable features of programmable devices, using FPGA to design the graphic collection system has good scalability and relatively stable hardware structure, software programming and hardware logic circuit is used to realize image acquisition software algorithms, in the very great degree can improve the recognition speed and the volume of the system, greatly saves the cost of production.This design using the OV (OmniVision) company produces 7670 CMOS camera image acquisition and processing, simple Hynix SDRAM chip H57V2562GTR - 75 c for temporary storage of the image and the FPGA chip USES Altera company's fourth generation product EP4CE6F17C8 Cyclone series chip, using the advantage of its parallel high-speed precise realization of 640 * 480 * 60 FPS,VGA display, a total of 30 m bandwidth per second.The purpose of this design is to integrate the function such as digital ima ge acquisition and display on a single board.The circuit of this system is used to analyse the image acquisition, caching, and through the VGA display in re al time, in the process of using normal camera is able to achieve image acqui sition, SDRAM would be able to complete the image storage and read, the FP GA chip, and procedures to ensure the normal operation of the whole system, and when the VGA display image without dislocation and garbled.Key words image real-time acquisition and display, the FPGA, VGA display目录摘要 (I)ABSTRACT................................................................................................................................. I I1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外研究现状、水平 (1)1.3 图像采集技术的发展趋势 (2)2 方案论证与选择 (4)2.1 系统方案设计 (4)2.2 系统方案选择 (5)2.3 本课题的技术指标及主要任务 (5)3 系统的硬件设计 (7)3.1 系统原理及设计框图 (7)3.2 FPGA 芯片的选择与其性能分析 (7)3.1.1 FPGA概述 (7)3.1.2 Cyclone系列芯片介绍 (7)3.3 FPGA 最小系统设计 (10)3.3.1 复位电路设计 (10)3.3.2 内部时钟与外部时钟设计 (11)3.3.3 JTAG下载接口及其保护电路设计 (12)3.4 摄像头的选择及其性能分析 (13)3.4.1 OV7670摄像头 (13)3.4.2 摄像头功能框图 (14)3.4.3 摄像头模块 (16)3.5 SDRAM的选择及其性能分析 (17)3.6 VGA接口设计 (19)4 系统的软件设计 (22)4.1 Verilog编程语言介绍 (22)4.2 整体设计思想 (22)4.3 系统主要结构框图以及功能介绍 (23)4.4 SDRAM工作状态机设计 (24)5 仿真设计与波形 (25)5.1 Quartus开发工具的简介 (25)5.2 逻辑分析仪介绍 (26)5.3 逻辑分析仪捕获波形展示 (27)5.4 效果图展示 (28)结论 (29)参考文献 (30)附录A：原理图模块展示 (31)附录B：程序代码 (35)致谢........................................................................................................... 错误！未定义书签。

基于FPGA的高速图像数据处理技术研究随着科技的不断进步和发展，图像处理技术已经成为了现代社会不可或缺的重要组成部分。

随着图像数据量的不断增大和复杂度的不断提高，如何进行高速、高效、精准的图像数据处理成为了人们关注的焦点。

FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑器件，具有高速并行计算、灵活可编程的特点，已经成为了高速图像数据处理领域的热门技术之一。

一、FPGA在高速图像数据处理中的应用FPGA是一种由大量可编程逻辑单元、数据存储单元和输入输出单元组成的可编程逻辑器件。

因此，相对于传统的通用处理器，FPGA具有高速并行计算和适应性强等特点，可以更好地适应实时性要求较高的高速图像数据处理任务。

在高速图像处理中，FPGA主要应用于以下几个方面：1. 图像采集与传输。

FPGA可以直接通过数据总线实现与图像采集设备之间的数据传输，减少了传输数据时的中间环节，从而提高了传输速度和稳定性。

2. 图像滤波。

FPGA可以实现各种基于滑动窗口的滤波算法，如均值滤波、中值滤波、Sobel算子等，能够快速、高效地过滤掉图像中的噪声，提高图像的质量和清晰度。

3. 图像分割与识别。

FPGA可以实现各种基于模板匹配和神经网络的图像分割和识别算法，如Canny边缘检测、Hough变换、BP神经网络等，可以高速且准确地分割出目标区域和识别出目标特征，实现图像智能化处理。

4. 视频编码压缩。

FPGA可以实现实时的视频压缩编码器，如H.264、MPEG-2等，可以将高分辨率、高帧率的视频信号进行高效地压缩，从而减少数据带宽和存储空间，实现更高级别的视频处理和传输。

二、FPGA在高速图像数据处理中的优势相对于传统的通用处理器，FPGA在高速图像数据处理领域具有以下优势：1. 实时性好。

FPGA的可编程逻辑单元可以并行计算，与CPU相比，其在对图像进行处理时的响应速度更快，更符合高速图像处理要求。

基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现随着科技的不断发展，电子信息技术的应用越来越广泛。

在现代制造业、通讯系统、医学影像等领域中，高速数据采集成为了一项不可或缺的工作。

因此，设计和实现一种高效、高精度的数据采集卡成为了当前电子信息技术研究的热点之一。

本文将介绍一种基于FPGA的高速数据采集卡的设计与实现。

一、高速数据采集卡基本结构高速数据采集卡通常由模数转换器（ADC）、时钟发生器、FPGA芯片、存储器、接口电路等组成。

其中，ADC负责将模拟信号转化为数字信号，时钟发生器负责为ADC提供时钟信号，FPGA芯片负责对数字信号进行处理和分析，存储器则用于存储处理后的数据，接口电路则是将数据输出到外部设备。

二、基于FPGA的高速数据采集卡设计1. ADC选择对于高速数据采集卡来说，ADC是其中最关键的组成部分之一。

ADC的选择与高速数据采集卡的性能有着密切的关系。

本设计采用了采样率为100MSPS的ADI公司的AD9265 ADC作为该高速数据采集卡的核心部件。

2. 时钟发生器时钟发生器为ADC提供高稳定性、高准确度的时钟信号，保证了ADC采集数据的稳定性和准确性。

本设计采用了凯瑞电子公司的CCHD-957时钟发生器，它可以提供高达100MHz的准确稳定时钟信号，从而保证了ADC的正常工作。

3. FPGA芯片在高速数据采集卡中，FPGA芯片是最核心的部分，它负责ADC采集到的原始数据进行处理和分析，并将其存储到存储器中。

本设计采用了Altera公司的Cyclone IV FPGA芯片，它具有高速、低功耗、灵活的特点，可以实现对高速数据的实时处理和分析。

4. 存储器存储器是高速数据采集卡中另一个非常关键的部分，它用于存储FPGA处理后的数据。

本设计采用了容量为1G的DDR3 SDRAM作为数据存储器，其存储速度快、容量大、价格适中、成本低。

5. 接口电路接口电路负责将高速数据采集卡中的数据输出到外部设备中。