数字图像处理体系下位机方案
第1章绪论
课题研究的背景及意义
视觉是人类最高级的感知器宫，所以图像在人类感知中扮演着最重要的角
色。数字图像，是用有限数值表示像素，可以用数字计算机或数字电路存
储和处理的图像。数字图像处理最早的应用之一是在报纸业，起源于20世
纪20年代，当时，图像第一次通过海底电缆从伦敦传到纽约。此后，随着
数字计算机及数据存储、显示和传输等技术的发展，数字图像处理也得到
较大发展。20世纪60年代末到20世纪70年代初，伴随着在医学、地球遥感
监测和天文学等领域的应用，数字图像处理技术蓬勃发展。目前，数字图
像处理技术已成为工程学、统计学、物理学、生物学、信息科学甚至社会
科学等各个学科研究的对象，其在工业、海洋科学、国防、医学等领域有
着广泛的应用前景。
随着工业化进程的不断推进，地球上人口数量急剧增加，能源短缺问题越
来越突出，陆上资源有限，而海洋中却蕴含着丰富的生物资源、矿产资源
和能源，于是，人们把目光投向了资源丰富的海洋。占地球表面积接近一
半的海洋是全人类共同的资源，不属于任何国家，在海洋经济时代，拥有
海洋开发技术实力的国家就可以享受这部分海洋资源。所以，进入21世纪
，海洋己成为高技术研究的重要领域。水下图像处理一直是我国重点研究
的课题，它在水下探测、水下目标跟踪、海洋开发、海洋军事等领域有着
广泛而重要的应用价值。
本课题是设计一个水下数字图像处理系统，以实现对水下移动目标的捕获
和跟踪。近年来，随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部
己经可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片所能实现的功能越来越强，同时
也可实现系统集成。与以往的PAL ,
GAL等相比，FPGA的规模较大，它可替代几十甚至几千块通用的集成电路
芯片，因此FPGA芯片是小批量系统提高集成度与可靠性的最佳选择之一。
所以在用户不断要求产品具有更大的图像容量、更高的图像质量和更快的
图像处理速度的时候，FPGA成为了普遍的选择。以FPGA为核心的数字图像
处理系统的下位机正是本论文研究的重点。该下位机通过一定的接口与数
字图像处理系统的上位机进行数据信号、控制信号通信，实现水下移动目
标的跟踪。该设计可以促进我国水下探测、水下跟踪等技术的发展，也为
水下的科研工作提供了保障。
2国内外研究现状
2. 1数字图像处理系统的研究现状
数字图像处理系统的发展大致分成三个阶段
第一阶段是20世纪60年代末到80年代中期，主要是美国和英国的一些公司
推出的各种图像分析系统和图像计算机。这些系统体积大、价格昂贵。在
中国，数字图像处理系统的研究比较晚，主要以清华大学的图像计算机和
图像采集系统为代表。
第二阶段是20世纪80年代中期到90年代初期，该阶段数字图像处理系统的
特点是小型化，以图像卡的形式插到计算机内，构成图像采集系统。这阶
段的图像卡开始采用大规模集成电路或专用集成电路。
第三阶段是20世纪90年代初期至今，该阶段的数字图像处理系统分为两大
类，一种仍是插卡式，采用PCI总线的图像卡;另一种是采用大规模集成电
路或者专用芯片取代计算机的图像处理系统，随着FPGA, DSP,
ASIC的发展，这一类系统发展很快，运算速度大幅度提高、价格大幅度降
低，逐渐成为数字图像处理系统的主流。
存储器的设计........ 32-36
DDR2简介........ 32-33
DDR2芯片选型........ 33
DDR2供电设计........ 33-34
DDR2硬件设计........ 34-36
时钟设计........ 36-37
FPGA芯片选型........ 37-38
FPGA配置........ 38-41
本章小结........ 41-42
第4章 下位机软件设计........ 42-68
下位机软件的开发........ 42-46
基于FPGA开发........ 42-44
基于EDK的开发........ 44-46
系统下位机功能模块........ 46-47
通信协议........ 47-51
上位机下传........ 47-50
下位机上传........ 50-51
时钟模块的实现........ 51-53
LVDS数据传输模块........ 53-56
嵌入式图像处理模块........ 56-67
嵌入式图像处理模块........ 57
时钟生成器........ 57-58
串口通信的........ 58
中断控制的........ 58-59
内存控制的........ 59-65
嵌入式图像处理........65-67
本章小结........ 67-68
第5章 实验测试........ 68-73
系统实物图........ 68-69
系统测试结果........ 69-72
本章小结........ 72-73
结论
FPGA在数字图像处理领域的应用越来越广泛，借助FPGA芯片性能的大幅提
高，水下数字图像处理技术也得到了较快发展。
本论文完成了对水下移动目标进行捕捉和跟踪的数字图像处理系
统的下位机设计。文章从课题背景与国内外研究现状、系统总体实施方案
、系统下位机硬件和软件设计及具体实现等方面对该系统进行了详细介绍
，并提供了系统实物图和测试图像。
该系统下位机的实现主要基于Xilinx
ISE和EDK开发平台，利用Verilog编程语言和嵌入式开发技术实现了以下
功能:通过LVDS接收器接收图像数据，在FPGA上运行C语言图像处理算法对
图像进行处理，处理后的图像数据通过LVDS驱动器发送给上位机，同时提
供相应的像素同步、行同步和帧同步信号。另外，下位机系统还要通过RS
-422完成和上位机的通信功能。
