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文 献 综 述
一．研究目的和意义
图像是人类最重要的信息载体，科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75%是从图像中获得的，因此图像是人类获取信息的主要途径[1][2]。随着多媒体技术的发展，图像采集技术的应用逐渐普及，人类获得图像的途径也越来越多，例如显微镜、CCD、摄像机等设备。这些设备的使用极大地拓宽了人类的视野，使人类能够观测到远距离或者肉眼无法识别的物体，如宇宙空间和生物细胞等。然而，由于噪声、光照等外界环境或设备本身的原因，往往导致采集系统获得的图像质量变差[3]。因此，为了抑制噪声，改善图像质量，必须对图像进行滤波、平滑等处理。另外，有时为了得到特殊的图像效果，以满足人们不同的需求，就需要对图像进行增强、分割等处理。这些都是数字图像处理研究的基本内容。
随着计算机、集成电路等技术的飞速发展，图像处理无论是在算法、系统结构上，还是在应用上以及普及程度上都取得了长足的进展。图像处理技术发展到今天，许多技术已经相当成熟，在各个领域，如：工业、工程、军事、医学以及科学研究等中都有着广泛的运用，并取得了巨大的成功和显著的经济效益[4][5]。
随着多媒体技术和网络技术的迅速发展，数字图像处理被广泛地应用到各个领域中，人们对图像处理也提出了越来越高的要求。仅依靠软件实现的图像处理已经无法满足实时性、高效性等需求。另一方面，微电子技术的高速发展，使基于各种硬件平台的数字图像处理更显优势。本课题针对基于FPGA的数字图像处理方法进行了有益的研究，为后继开展以FPGA为核心的实时图像处理系统的应用开发以及新型数字图像处理算法的硬件设计奠定了基础[4][6]。
二．国内外研究现状及分析
目前，许多实时图像和视频处理功能均适合于FPGA来实现，包括：图像旋转、图像缩放、色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图功能、锐化、中值滤波器和斑点分析等[7]。各种适用于FPGA的图像处理算法也在不断地出现和完善。如用于去除图像噪声的中值滤波法，用于图像增强的直方图均衡法，用于图像压缩的小波变换法等。
随着集成电子技术的不断成熟，国内外以FPGA为基础设计的数字图像处理系统也层出不穷。基于FPGA的数字图像处理系统在汽车电子产品中被广泛使用，例如车载会议电视、车载可视电话、车载机器视觉等[6][8][9]。由于FPGA技术的大量采用，图像处理在硬件结构方面也发生了重大变化，它已由基本的串行结构发展成并行处理结构，由单片FPGA处理器发展成多片FPGA处理器系统，或带阵列FPGA的高速处理系统[10][11]。
FPGA激活了数字电视。在数字电视的信号处理中，FPGA已经越来越广泛地被运用。在图像显示、图像压缩、图像格式转化、色彩空间转化、I/O接口中都使用FPGA器件进行处理。FPGA可应用于数字电视机内的许多部分，作为标准芯片组间的“联结逻辑”是FPGA的强项，许多图像处理任务（如色彩空间变换）以及网络接口（如IEEE1394）现在也可用低成本可编程逻辑器件实现[10]。
中国铁道部基础设施检测中心在轨检车轨距轨向检测系统中设计了以FPGA为核心的高速图像处理卡，用于实时采集、处理8个通道的钢轨断面图像信号，并根据钢轨断面轮廓图像求出轨距的特征点，分别计算两个特征点相对于惯性空间基准的位移及两点间的距离，实现在动态条件下的轨距轨向测量[9][12]。
Chan等人使用FPGA和DSP协同工作组成了一个实时图像处理的系统。该系统中，DSP负责所有的高级算术操作，FPGA则主要负责位数较低的运算和字节级运算[13]。
2005年6月，富士通研究所与富士通前沿科技公司共同推出了用于办公室与商务设施等用途的服务机器人“富士通服务机器人”，可以胜任引导、搬运、巡视、提供信息等事务，该项目使用FPGA开发图像处理的LSI（Large Scale Integration，大规模集成电路）[14][15]。在负责视觉识别的DSP管理下运行的是新开发的三维图像处理LSI，使用美国赛灵思约有500万个门阵列的FPGA开发而成，该FPGA的工作频率为90MHz。由于开发了图像处理LSI提高了处理速度，因此可以在行走进程中进行视觉识别。
随着FPGA技术的日异月新和芯片制造工艺的不断发展，使用FPGA技术处理图像信息将成为图像处理领域中的一个发展趋势，特别是在对图像处理速度要求很高的实时图像处理中，FPGA将发挥巨大的作用[7][13]。
然而，目前利用FPGA进行图像处理主要是直接在FPGA上利用硬件描述语言或EDA软件进行设计，这种设计方法的最大优点就是速度快，可以用流水线实现，具有一定的灵活性，但是对于规模比较大且外设比较复杂的图像处理系统，比如便携式视频系统或监控系统，需要存储、显示等功能，这就需要多任务的操作，必然会引进处理器和操作系统，因此SOPC应运而生[16]。毫无疑问，SOPC在数字图像处理领域中将大有用武之地。国内外很多机构都在此方向进行了深入的研究，并实现了一系列基于SOPC的视频图像处理系统，为后继的研究奠定了基础。SOPC技术刚刚起步，它的灵活性，高速度和强大的仿真功能必将使其应用前景越来越广阔。
参考文献:
[1] 高赟. 图像灰度增强算法的研究. 西安电子科技大学硕士论文. 2007
[2] ,,,等. 基于FPGA的图像处理电路的设计与实现. . 2010.36(2):36~38
[3] . 基于FPGA的图像处理算法研究及硬件设计. . 2007
[4] 王绍雷. 基于SOPC的图像边缘检测系统的研究. 广西大学硕士论文. 2007
[5] 付昱强.基于FPGA的图像处理算法的研究与硬件设计. 南昌大学硕士学位论文. 2006
[6] 刘洋,卫洪春,杜诚等. VC++6.0在灰度图像增强处理中的应用. 计算机与信息技术. 2006:75-76
[7] 任艳斐. 直方图均衡化在图像处理中的应用. 计算机与信息技术. 2007,4:37-38
[8] 孙忠贵,王玲. 数字图像直方图均衡化的自适应校正研究. 计算机时代. 2004,11:19-20
[9] 李元帅,张勇,周国忠等. 图像中值滤波硬件算法及其在FPGA中的实现. 计算机应用. 2006,26:61-62
[10] Rafael C.Gonzalez,Richard E. Woods.Digital Image Processing,Second Edition.. 电子工业出版社. 2003:189-195
[11] Chan,S.C,Ngai,H.O,Ho,K.L. Programmable image processing system using FPGA. International Journal of Electronics.October 1994:125-128
[12] ,. 基于FPGA的图像处理系统研究. .
[13] Bravo,lgnacio,Jimenez,Pedro,Mazo,Manuel. Architecture based on FPGA’s for real-time image processing. Lecture Notes in Computer Science. 2006:152-157
[14] 余锦华,范宏波,郑智捷.红外视频图像实时二维增强算法与实现.红外技术.2005,27(3):227-231
[15] 刘钊.图像边缘检测算法的比较研究电子科技大学硕士论文.2005:6-7
[16] 高晓蓉.基于FPGA的图像处理算法即压缩编码的研究与实现.西南交通大学硕士论文.2007:24-40