FPGA数字图像采集与处理——从理论知识、仿真验证到板级调试的实例精讲

《FPGA数字图像采集与处理》从图像采集（包括灰度图像和彩色图像）、图像前处理（包括色彩矩阵滤波、伽马校正、白平衡、色彩空间转换、坏点校正和直方图统计）、UVC图像传输和图像后处理（包括图像平滑、锐化、边缘提取、直方图均衡、FFT滤波和FIR滤波）等方面深入浅出地介绍数字图像相关的理论知识以及FPGA的设计实现、仿真验证和板级调试。

《FPGA数字图像采集与处理》提供的20个工程实例，基于Xilinx公司的Artix-7 FPGA器件。读者按照本书第2章搭建的开发环境，可实现这些工程实例的仿真验证或板级调试。

《FPGA数字图像采集与处理》适合作为从事FPGA开发的工程师或研究人员进行图像处理相关项目开发的参考书，也可作为高等院校相关专业FPGA课程的教材。

十余年的FPGA工程实践经历，擅长记录、分析并总结各种FPGA开发经验与技巧，也非常乐于分享。活跃于各大电子技术网站的FPGA社区或板块，多年来笔耕不辍、风雨无阻，不断发表FPGA相关文章，总点击量超过300万。著有多本FPGA技术相关图书，其诙谐的文字、贴近读者实际需求的知识点与经验技巧分享，赢得了广大读者的一致认可。

第1章数字图像处理概述

1.1数字图像基础

1.2数字图像采集

1.3数字图像前处理

1.4数字图像后处理

第2章开发平台搭建

2.1Vivado软件安装说明

2.1.1Vivado版本说明

2.1.2Xilinx官网账号注册

2.1.3Vivado软件下载与安装

2.2Notepad++安装与设置

2.2.1文本编辑器Notepad++安装

2.2.2Vivado中使用Notepad++的关联设置

2.3USB 3.0控制器FX3的SDK安装

2.4USB 3.0控制器FX3的驱动程序安装

2.4.1PC与开发板的USB 3.0连接

2.4.2PC与USB连接

2.4.3驱动程序的安装

2.5硬件平台介绍

2.5.1STAR FPGA开发套件

2.5.2AT7 FPGA开发套件

第3章AXI总线协议介绍

3.1AXI协议简介

3.1.1AXI版本介绍

3.1.2基本结构

3.1.3基本传输

3.2信号描述

3.3握手过程

第4章FPGA图像采集

4.1CMOS图像传感器介绍

4.1.1CCD与CMOS传感器简介

4.1.2CMOS传感器工作原理

4.2灰度图像采集显示

4.2.1FPGA功能概述

4.2.2FPGA设计说明

4.2.3装配说明

4.2.4FPGA板级调试

4.3彩色图像采集显示

4.3.1FPGA功能概述

4.3.2FPGA设计说明

4.3.3装配说明

4.3.4FPGA板级调试

第5章FPGA图像前处理

5.1色彩滤波矩阵IP核的仿真

5.1.1色彩滤波矩阵介绍

5.1.2基于MATLAB的CFA处理

5.1.3Demosaic IP配置与接口说明

5.1.4FPGA测试脚本解析

5.1.5FPGA仿真说明

5.2色彩滤波矩阵的FPGA实现

5.2.1FPGA功能概述

5.2.2FPGA设计说明

5.2.3FPGA板级调试

5.3伽马校正的FPGA实现

5.3.1伽马(Gamma)介绍

5.3.2MATLAB生成Gamma校正的LUT

5.3.3FPGA功能概述

5.3.4FPGA设计说明

5.3.5FPGA板级调试

5.4白平衡校正的FPGA实现

5.4.1白平衡介绍

5.4.2FPGA功能概述

5.4.3FPGA设计说明

5.4.4FPGA板级调试

5.5色彩空间转换与图像增强IP核的仿真

5.5.1图像增强IP简介

5.5.2IP添加与配置

5.5.3协同仿真的MATLAB脚本说明

5.5.4FPGA仿真说明

5.6色彩空间转换的FPGA实现

5.6.1功能概述

5.6.2RGB与YUV介绍

5.6.3FPGA设计说明

5.6.4FPGA板级调试

5.7坏点校正的FPGA实现

5.7.1FPGA功能概述

5.7.2FPGA设计说明

5.7.3FPGA板级调试

5.8图像直方图统计与实时显示的FPGA实现

5.8.1FPGA系统概述

5.8.2FPGA设计说明

5.8.3MATLAB与FPGA协同仿真说明

5.8.4FPGA板级调试

第6章FPGA+USB 3.0的图像UVC传输

6.1灰度图像采集与UVC传输

6.1.1系统功能概述

6.1.2FPGA设计说明

6.1.3FX3固件

6.1.4PC端UVC软件

6.1.5装配说明

6.1.6板级调试说明

6.2彩色图像采集与UVC传输

6.2.1系统功能概述

6.2.2FPGA设计说明

6.2.3FX3固件

6.2.4PC端UVC软件

6.2.5装配说明

6.2.6板级调试说明

第7章FPGA图像后处理

7.1图像平滑处理的FPGA实现

7.1.1系统概述

7.1.2图像平滑与滤波

7.1.31/16的加权均值滤波的MATLAB实现

7.1.4FPGA仿真说明

7.1.5FPGA设计说明

7.1.6板级调试

7.2图像拉普拉斯锐化处理的FPGA实现

7.2.1系统概述

7.2.2图像拉普拉斯锐化

7.2.3拉普拉斯锐化处理的MATLAB实现

7.2.4FPGA仿真说明

7.2.5FPGA设计说明

7.2.6板级调试

7.3图像拉普拉斯边缘提取的FPGA实现

7.3.1系统概述

7.3.2图像拉普拉斯边缘提取

7.3.3拉普拉斯边缘提取算子的MATLAB实现

7.3.4FPGA仿真说明

7.3.5FPGA设计说明

7.3.6板级调试

7.4图像直方图均衡处理的FPGA实现

7.4.1系统概述

7.4.2图像直方图均衡处理

7.4.3直方图均衡处理的MATLAB实现

7.4.4FPGA仿真说明

7.4.5FPGA设计说明

7.4.6板级调试

7.5FFT与IFFT IP核的仿真

7.5.1关于傅里叶变换

7.5.2MATLAB中傅里叶变换实现

7.5.3Vivado中添加配置FFT IP核

7.5.4使用FPGA的IP进行FFT运算

7.5.5使用FPGA的IP进行IFFT运算

7.6图像FFT滤波处理的FPGA实现

7.6.1系统概述

7.6.2基于MATLAB的FFT滤波

7.6.3FPGA仿真

7.6.4FPGA设计说明

7.6.5板级调试

7.7FIR滤波器IP核的仿真

7.7.1FIR滤波器简介

7.7.2FIR IP核配置

7.7.3FIR IP核接口时序

7.7.4FIR IP仿真说明

参考文献

作为近年来炒得火热的人工智能的一个重要分支——机器视觉，其实在更早一些时候就已为人们所熟知，并在各个应用领域崭露头角。机器视觉简单的定义就是，用机器设备代替人眼实现图像的捕获、识别和信息筛选，以做出正确的测量或判断。在一些高危险性的工业现场，常用机器视觉设备替代人工； 此外，一些大批量重复性的检测生产中，也常使用机器视觉设备替代人工，以提高生产效率和自动化程度。

作为机器视觉最基本的“原材料”——图像，无疑是整个机器视觉处理的核心。而随着图像的分辨率、帧率甚至处理算法的复杂性的不断提升，天生具备并行性、可编程性和高度集成性的FPGA器件，从图像的采集、传输到处理，都越来越多地扮演着重要的角色。

基于FPGA的图像处理应用，虽然已经在绝大多数的高分辨率、高帧率的机器视觉产品中普及，但仍然鲜有这方面的图书可供学习参考。而在图像处理领域，其实也已经有非常成熟的理论和应用，市面上的图书也比比皆是，但我们依然很难找到能和FPGA碰撞出“火花”的好作品。

基于此，作者结合多年在FPGA和板级电路设计方面的积累，搭建出了一个可以实现图像采集、前处理、传输和后处理的FPGA平台（开发板购买链接见配套资料），并且量身定制了一系列的基础工程实例，意在帮助这个领域的一些入门者。书中每个工程实例都是满满的“干货”，从基础的理论知识点，再到设计的架构、具体实现、要点说明、仿真验证（结合MATLAB和FPGA）和板级调试。相信利用本书，加上我们提供的工程源码和硬件，新手的你也可以很快构建出自己的图像开发平台，服务于项目和产品。

为了便于读者学习，本书提供了丰富的配套资源：

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 视频教程，观看方式见配套资源中的详细说明。

吴厚航［网名： 特权同学］

2020年7月于上海