基于sopc的视频降噪系统的研究与硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于sopc的视频降噪系统的研究与硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

圆柱体描述等方法。 (6) 图像分类（识别） 图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。 图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构） 模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。 图像处理的应用展望 图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。 随着科学技术的发展，数字图像处理技术的应用领域也将随之不断扩大。 数字图像处理技术未来应用领域主要有以下七个方面： （ 1）航天航空技术方面 数字图像处理技术在航天航空技术方面的应用，除 JPL对月球、火星照片的处理之外，另一方面是在飞机遥感和卫星遥感技术中。 图像在空中先处理（数字化编码）成数 字信号存人磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。 这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。 现在世界各国都在利用各类卫星所获取的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察、农业规划、城市规划。 在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。 （ 2）生物医学工程方面数字图像处理技术在生物医学工程方面的应用十分广泛，且很有成效。 除了 CT 技术之外，还有一类是对医用显微技术的处理分析，如染色体分析、癌细胞识别等。 此 外，在 X 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。 （ 3）通信工程方面当面通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的流媒体通信。 其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩西南科技大学本科生毕业论文 4 色电视信号的速率达 100M/s 以上。 要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。 在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。 （ 4）工业工程方面在工业工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，它大大提高了工作效率，如自动装配线中质量检 测，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些恶性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进设计和制造技术中采用工业视觉等等。 其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的面貌，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。 （ 5）军事公安方面在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统和模拟训练系统等；公安方面主要用于指纹识别、人脸鉴别、不完整图片的复原以及交通监控、事故分析等。 目 前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别就是图像处理技术成功应用的例子 [6]。 （ 6）文化艺术方面的应用 目前这类应用有电视画面的数字编辑、动画的制作、电子图像游戏、纺织工艺品设计、服装设计与制作、发型设计、文物资料照片的复制和修复、运动员动作分析和评分等等。 目前正在形成一门新的艺术 —— 计算机美术。 （ 7）其它方面的应用 数字图像处理技术已经渗透到社会生活的各个领域，如地理信息系统中二维、三维电子地图的自动生成、修复等；教育领域各种辅助教学系统研究、制作中；流媒体技术领域等等。 课题的目的及意义 由于视频降噪是属于图像处理中的 图像增强和复原 技术，由于近年来数字图像的广泛应用，所以视频降噪也是当前研究的热点问题之一。 而本课题主要研究的是视频降噪算法的研究，并提出自己的算法。 在图像采集和传输过程中，信号常常会受到随机噪声的干扰。 因而破坏了图像像素间的结构、纹理、内容等方面的相关性。 使得图像失真，并且难于压缩、识别和理解。 因此，在大多数图像应用场合都需要降低图像中的噪声，使图像恢复本来的面目。 由于低层的图像预处理算法处理的数据量大，用一般的软 件来实现会比较慢，而且对于一些实时性要求比较高的系统，如视频图像实时处理系统 ,处理速度往往是要考虑的关键要素 ,因为一旦速度跟不上 ,实时性也就无西南科技大学本科生毕业论文 5 从谈起。 针对图像预处理阶段运算结构比较简单的特点，所以硬件实现是可以满足这个要求的。 这也是现在图像处理领域的热点问题之一。 论文的主要内容 全文的主要内容共分为六章，分别为： 第一章 绪论。 综合介绍了图象处理的背景、应用展望，以及课题选择的目的和意义。 第二章 SOPC 技术介绍。 首先介绍了 SOPC 技术及实现的方式，然后介绍试验中所需要用到的软件 QuartusⅡ的设计流程，最后介绍了硬件描述语言 VHDL。 第三章 方案介绍、比较及选择。 首先介绍几种典型的降噪方法，并比较它们的优缺点，然后按照其优缺点进行选择，从中选出自己的方案。 第四章 中值滤波的硬件实现。 先介绍了中值滤波实现的总体框架，再具体介绍了框架中各个组件的功能及实现。 第五章 在 SOPC 中建立系统。 先对组件进行选择并生成系统，然后再将生成的片上系统于硬件实现的滤波块进行连接，建立顶层文件。 第六章 功能模块与系统的仿真。 先对各个模块进行仿真，然后再对系统进行仿真。 西南科技大学本科生毕业论文 6 第 2 章 SOPC 技术介绍 SOPC 技术简介及实现方式 SOPC 技术简介 SOPC(System On Programmable Chip)即可编程的片上系统，或者说是基于大规模 FPGA 的单片系统。 SOPC 的设计技术是现代计算机辅助设计技术、 EDA 技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。 SOPC 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、 DSP 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一 FPGA 中实现，使得所设计 的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。 SOPC 技术是一门全新的综合性电子设计技术，涉及面广。 SOPC 技术实现的方式 SOPC 技术实现方式一般分为三种： (1) 基于 FPGA 嵌入 IP(Intellectual Property )硬核的 SOPC 系统。 目前最常用的嵌入式系统大多采用了含有 ARM 的 32 位知识产权处理核的器件。 Altera 公司 Excalibur系列的 FPGA 中就植入了 ARM922T 嵌入式视同处理器； Xilinx 的 VirtexⅡ Pro 系列中则植入了 IBM PowePC405 处理器。 这样就能使得 FPGA 灵活的硬件设计和硬件实现与处理器强大的软件功能结合，高效地实现 SOPC。 (2) 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统。 在第一种实现方案中，由于硬核是预先植入的，其结构不能改变，功能也相对固定，无法裁减硬件资源，而且此类硬核多来自第三方公司，其知识产权费用导致成本的增加。 如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效克服这些不利因素。 最具有代表性的嵌入式软核处理器是 Altera 公司的NiosⅡ软核处理器。 (3)基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统。 HardCopy 就是利用原有的 FPGA 开发工具，将成功实现于 FPGA 器件上的 SOPC 系统通过特定的技术直接向 ASIC 转化，从而克服传统 ASIC 设计中普遍存在的问题。 从 SOPC 实现方式上不难看出， IP 核在 SOPC 系统中占有极其重要的地位， IP核的设计及 IP 核的复用成为 SOPC 技术发展的关键所在。 半导体产业的 IP 定义为用西南科技大学本科生毕业论文 7 于 ASIC、 ASSP 和 PLD 等当中预先设计好的电路模块。 在 SOPC 设计中每一个组件都是一个 IP 核。 IP 核模块有行为、结构和物理三级不同程度的设计，对 应描述功能行为的不同分为三类，即完成行为描述的软核 (Soft IP Core )、完成结构描述的固核(Firm IP Core )和基于物理描述并经过工艺验证的硬核 (Hard IP Core )。 SOPC 系统开发流程 SOPC 系统的开发流程一般分为硬件和软件两大部分，如图 (21)所示： 图 21 SOPC 系统开发流程 在图 (21)中我们可以看出：硬件开发主要是创建 NiosⅡ系统，作为应用程序运行的平台；软件开发主要是根据系统应 用的需要，利用 C/C++语言和系统所带的API(Application Programming Interface，应用程序接口 )函数编写实现特定功能的程序。 而这其中用到的主要工具是 Altera 公司的 QuartusⅡ和 NiosⅡ IDE。 QuartusⅡ 介绍 QuartusⅡ是 Aleter 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境， Altera 是世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。 QuartusⅡ在 21 世纪初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD集成开发环境 MAX+plusⅡ的更新换代产品，其 界面友好，使用便捷。 它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。 配置处理器 自定义指令 处理器库 外 设 库 选择并配置外设 IP 模块 连接模块 生 成 HDL 源文件 测试平台 QuartusⅡ 分析和适配 用户代码 其他 IP 模块 硬件配置文件 JTAG, UART, Ether Altera PLD 软件开发 硬件开发 NiosⅡ IDE C 头文件 自定义库 外设驱动 编译、链接、调试 用户代码 库 PTOS SOPC Builder GUI 可执行代码 软件跟踪， 硬件断点 SignalTapⅡ 片上调试 验证和调试 西南科技大学本科生毕业论文 8 Altera 的 QuartusⅡ提供了完整的的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统 (SOPC)设计的综合性环境和 SOPC 开发的基本设计工具，并为 Altera DSP 开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。 QuartusⅡ设计工具完全支持 VHDL、 Verilog 的设计流程，其内部嵌有 VHDL、 Verilog 逻辑综合器。 QuartusⅡ也可以利用第三方的综合工具，如 Leonardo Spectrun、 Synplify Pro、 FPGA Compiler，并能直接调用这些工具。 同样， QuartusⅡ具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如 ModelSim。 此外， QuartusⅡ与 MATLAB 和 DSP Builder 结合，可以进行基于 FPGA 的 DSP 系统开发，是 DSP 硬件系统实现的关键 EDA 工具。 QuartusⅡ包括模块化的编译器。 编译器包括的功能模块有分析 /综合器、适配器、装配器、时序分析器、设计辅助模块、 EDA 网表文件生成器和编辑数据接口等。 可以通过 Start Compilating 来运行所有的编译器模块，也可以通过选择 Start 单独运行各个模块。 还可以通过选择 Compiler Tool，在 Compiler Tool 窗口中运行该模块来启动编译器模块。 在 Compiler Tool，可以打开该模块的设置文件或报告文件，或打开其他相关窗口。 在下图 (22)中，上面一排是 QuartusⅡ编译设计主控界面，它显示了 QuartusⅡ自动设计各主要处理环节和设计流程，包括设计输入编译、设计分析与综合、适配、编程文件汇编、时序参数提取以及编程下载几个步骤。 在图 (22)中，下面一排的流程框图， 是与上面的 QuartusⅡ设计流程相对照的标准的 EDA 开发流程。 图 22 QuartusⅡ 设计流程 硬件语言介绍 图形或 HDL 编辑 Analysisamp。 Synthesis (分析与综合 ) Filter (适配器 ) Assembler (编程文件汇编 ) 编程器 设计输入 综合或编译 适配器件 下载 仿真 Timing Analyzer (时序分析器 ) 西南科技大学本科生毕业论文 9 硬件描述语言 (hardware description language， HDL)是电子系统硬件行为描述、结构描述、数据流描述的语言。 HDL 语言在国外有上百种，高等学校、科研单位、EDA 公司都有自己的 HDL 语言，现在影响最大的两种 HDL 语言是 VHDL 和 Verilog HDL。 下面简要介绍 VHDL 硬件描述语言。 VHDL 语言英文 全名是 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，即超高速集成电路硬件描述语言。 它的产生是由于美国政府为了在电子系统承包中降低开发费用，避免重复设计，由美国国防部牵头，联合众多院校、厂商，为他们的高速集成电路提供了一种硬件描述语言，以期望 VHDL 功 能强大、严格、可读性好。 1986 年 IEEE 标准化组织开始工作，讨论 VHDL 语 言标准，历时一年有余，于 1987 年 12 月通过标准审查，并宣布实施，即 IEEE STD 1076— 1987[LRM87]。 1993年 VHDL 重 新修订，形成了新的标准，即 IEEE STD 1076— 1993[LRM93]。 最终 VHDL标准得到推广、实施和普及。 VHDL 语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，所以用 VHDL 语言作为硬件模型建模很合适。 设计者的原始描述是非常简练的硬件描述，经过 EDA 工具综合处理，最终生成付诸生产的电路描述或版图参数描述的工艺文件。 整个过程通过 EDA 工具自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错机会。 VHDL 语言可读性好。 VHDL 既能被人容易读懂，又能被计算 机识别，作为技术人员编写的源文件，它既是计算机程序、技术文档和技术人员硬件信息交流的文件，又是签约双方的合同文件。 VHDL 语 言中的设计实体（ design entity） 、程序包（ package）、 设计库 （ library） ，为设计人员重复利用他人的设计提供了技术手段。 重复利用他人的 IP 模块和软核 （ soft core） 是 VHDL 的 特色，许多设计不必个个都从头再来，而是只要在更高层次上把 IP 模块利用起来，就能达到事半功倍的效果。 VHDL 程序包含实体（ entity）、 结构体 （ architecture）、 配 置（ configuration） 、包集合（ package） 、库（ library） 5 个部分。 简单的实体是由实体和结构体两部分组成的。 实体用于描述设计系统的外部接口信号，结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程或者系统组织结构形式。 设计实体是 VHDL 程序的基本单元，是电子系统的抽象。 简单的实体可以是一个与门电路（ AND Gate） ，复杂的实体可以是一个微处理器或一个数字电子系统。 实体由实体说明和结构体说明两部分组成。 西南科技大学本科生毕业论文 10 结构体具体指明了该设计实体的行为，定义了该设计实体的功能，规定了该设计实体的数据流程，指派了实体中 内部元件的连接关系。 用 VHDL 语言描述结构体有 3 种方法：行为描述法、数据流描述法和结构化描述法。 结构体的行为描述，即指对设计实体的描述按照算法的路径来描述。 行为描述在 EDA 工程中称为高层次描述或高级描述。 数据流描述是结构体描述方法之一，它描述了数据流的运动路径、运动方向及运动结果。 结构化描述法适用于层次化设计，对于一个复杂的电子系统，可以分解成许多子系统，子系统再分解成模块。 多层次设计可以使设计多人协作，并行同时进行。 多层次设计的每个层次都可以作为一个元件，再构成一个模块，或构成一个系统。 每。