CN105721780A - 一种基于SoC FPGA的嵌入式图像处理***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了公开了一种基于SoC FPGA的嵌入式图像处理***与方法,包括外部图像采集相机、SoC FPGA开发板和上位PC图像处理***;SoC FPGA开发板内部包括HPS部分和FPGA部分;外部图像采集相机采集图像;由HPS(基于ARM的硬处理器***,挂载Linux操作***)将图像数据传输给FPGA部分进行处理;FPGA将处理完的图像数据传回HPS中;最后由HPS将图像数据通过TCP/IP协议传输给上位PC图像处理***,在上位PC中进行应用。本发明能够提高图像处理的速度和效率,具有方便、灵活、快速、高效、适应性强等特点,可应用在各种机器视觉平台和图像处理有关的应用中。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器视觉***与图像处理,尤其涉及一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***与方法。
背景技术
一个工业机器视觉***包括:光源、镜头、相机(包括CCD相机和CMOS相机)、图像采集单元、图像处理单元、监视器和输入输出单元等。图像处理技术是机器视觉***应用中的关键部分,进行图像处理主要为了提取图像中的目标信息(包括位置、形状、轮廓、特征等)。目前,图像处理技术采用的处理器主要有四种,分别是X86架构CPU、DSP、FPGA和ASIC专用集成电路。随着数字图像技术向高分辨率、高实时性、大数据量的方向发展,传统X86架构、DSP等串行结构CPU不能满足快速、实时图像处理算法性能要求。比如,国内专利CN103079051A给出了一种基于BF处理器的嵌入式图像处理***,其中BF处理器采用的是DSP。虽然其具有强大的运算能力,但由于其属于串行结构CPU,运行时是按照指令执行的,位宽也是固定的,资源利用率不高,运算能力有限。而ASIC专用集成电路开发周期长、成本高、灵活性差。FPGA全称是现场可编程门阵列,具有丰富的逻辑单元并嵌入了大量的存储结构和数据处理器,能够用软件方式实现各种电路设计和完成较复杂的运算,并且具备并行运算能力。将FPGA应用于图像处理技术,加快了图像处理的速度,达到图像处理高速实时的性能要求。国内专利CN204334830U给出了一种基于FPGA和SOPC的图像处理***,能对图像运行并行处理,提高图像处理速度。但其采用相机与FPGA直接相连的模式,需要定制专用的图像采集模块。如果更换图像传感器件,就需要重新设计电路或者硬件程序,灵活性不高,技术难度大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足,提供一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***与方法。既可以利用FPGA作图像数据运算,又能让***适应性强,该***架构使得整个应用程序开发灵活,难度低。
本发明通过下述技术方案实现:
一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,包括外部图像采集相机1、SoCFPGA开发板3和上位PC图像处理***5;
所述外部图像采集相机1、SoCFPGA开发板3和上位PC图像处理***5依次电讯连接;所述外部图像采集相机1将图像数据传送给SoCFPGA开发板3,再由SoCFPGA开发板3对图像数据进行处理,并传送给上位PC图像处理***5。
所述外部图像采集相机1内部包括图像输入单元6;所述SoCFPGA开发板3内部包括两个部分,即HPS部分和FPGA部分;所述上位PC图像处理***5内部包括图像接收单元11;所述HPS部分包括图像采集单元8、图像输出单元10和控制单元7;FPGA部分包括图像处理单元9;所述图像采集单元8、图像处理单元9和图像输出单元10依次电讯连接;所述图像输入单元6电讯连接图像采集单元8,所述图像输出单元10电讯连接图像接收单元11;所述控制单元7分别电讯连接图像输入单元6、图像采集单元8、图像输出单元10、图像处理单元9和图像接收单元11;所述图像输入单元6生成的原始图像数据传送到图像采集单元8,随后传送到图像处理单元9,在图像处理单元9中处理后再传送进图像输出单元10,并从图像输出单元10输出到图像接收单元11。
所述控制单元7控制图像输入单元6、图像采集单元8、图像输出单元10、图像处理单元9和图像接收单元11的运行、***配置和响应错误机制。
所述HPS是一个基于ARM的硬处理器***,还包括ARM微处理器、SDRAM存储器,其上挂载Linux操作***。
所述SDRAM存储器划分为内核内存空间与用户内存空间。
所述FPGA部分,需要用硬件描述语言编写的配置程序驱动其工作,配置程序模块化为独立IP核;所述独立IP核包括图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核。
所述外部图像采集相机1、SoCFPGA开发板3和上位PC图像处理***5依次电讯连接,该电讯连接是指采用USB数据线或者网线连接。
一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理方法,其图像传输步骤主要分为:(1)图像输入步骤外:外部图像采集相机采集的原始图像数据输入到图像输入单元6并发送给图像采集单元8;(2)图像采集步骤:图像采集单元8,将图像输入单元6传送来的原始图像数据进行格式转换,并发送给图像处理单元9;(3)图像处理步骤:图像处理单元9,硬件描述语言编写的相关图像处理IP核,实现图像处理算法,并发送给图像输出单元10;(4)图像输出步骤:图像输出单元10,接收FPGA处理并由图像处理单元9处理后的图像数据,并发送到上位PC图像处理***的图像接收单元11;(5)图像接收步骤:图像接收单元11,接收图像输出单元10处理完的图像数据并应用。
具体传输步骤具体如下:
图像数据从外部图像采集相机流向HPS,保存在挂载在HPS上的Linux操作***的内核内存空间中;
图像数据复制到Linux操作***用户内存空间;通过Linux***函数实现;
图像数据写入位于FPGA内的缓存SDRAM中;通过HPS与FPGA间的数据总线实现;
图像数据流向图像处理IP核;通过FPGA内的图像读取IP核完成;
图像数据写入Linux操作***内核内存空间;通过图像写入IP核,并且事先已在Linux操作***中分配一块固定内存区域;
目标图像数据复制到Linux***用户内存空间;通过Linux***的字符设备文件方式,使用read函数;
图像数据输出到上位PC图像处理***中;利用网络通讯方式,使用TCP/IP协议,或者利用USB数据线。
上述步骤3所述相关图像处理IP核,是指应用图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核协同实现图像处理;具体是图像读取IP核负责读取图像数据,并传输到图像处理IP核;图像处理IP核负责处理图像数据,并传输到图像写入IP核;图像写入IP核负责将处理完的图像数据写入HPS部分的SDRAM存储器中。
采用SoCFPGA开发板,HPS(基于ARM的硬处理器***,挂载Linux操作***)用于图像获取和传输,FPGA用于图像处理。HPS应用开发灵活方便,可移植到不同硬件平台,并且适用性强,可以与不同的图像采集相机联用。FPGA对图像数据进行并行运算,提高处理速度和效率。
因此,采用SoCFPGA方案,既可以利用FPGA作图像数据运算,又能让***适应性强,是一种新颖、可行的***架构方案。
附图说明
图1是本发明基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***总示意图。
图2是图1内部结构示意图。
图3是图2中控制单元对各单元的控制说明;包括图像采集、FPGA图像IP核和图像传输。其中,图像采集由Linux应用程序调用相机库函数及Linux***函数完成。FPGA图像IP核可分为图像读取IP核,图像处理IP核,图像写入IP核。图像传输可分为传输图像数据到图像处理单元9和输出图像数据到图像接收单元11。
图4是本发明中图像数据流传输示意图。
图5是本发明中Linux应用程序流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至5所示。本发明公开了一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,包括外部图像采集相机1、SoCFPGA开发板3和上位PC图像处理***5;所述外部图像采集相机1、SoCFPGA开发板3和上位PC图像处理***5依次电讯连接,该电讯连接是指采用USB数据线或者网线连接。
所述外部图像采集相机1将图像数据传送给SoCFPGA开发板3,再由SoCFPGA开发板3对图像数据进行处理,并传送给上位PC图像处理***5。
所述外部图像采集相机1内部包括图像输入单元6;所述SoCFPGA开发板3内部包括两个部分,即HPS部分和FPGA部分;所述上位PC图像处理***5内部包括图像接收单元11,用于接收并应用处理后的图像数据;所述HPS部分包括图像采集单元8、图像输出单元10和控制单元7,通过Linux应用程序实现功能;FPGA部分包括图像处理单元9,应用图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核协同实现图像处理功能;所述图像采集单元8、图像处理单元9和图像输出单元10依次电讯连接;所述图像输入单元6电讯连接图像采集单元8,所述图像输出单元10电讯连接图像接收单元11;所述控制单元7分别电讯连接图像输入单元6、图像采集单元8、图像输出单元10、图像处理单元9和图像接收单元11;所述图像输入单元6生成的原始图像数据传送到图像采集单元8,随后传送到图像处理单元9,在图像处理单元9中处理后再传送进图像输出单元10,并从图像输出单元10输出到图像接收单元11。
所述控制单元7控制图像输入单元6、图像采集单元8、图像输出单元10、图像处理单元9和图像接收单元11的运行、***配置和响应错误机制。
所述HPS是一个基于ARM的硬处理器***,还包括ARM微处理器、SDRAM存储器,其上挂载Linux操作***。所述SDRAM存储器划分为内核内存空间与用户内存空间。
所述FPGA部分,需要用硬件描述语言编写的配置程序驱动其工作,配置程序模块化为独立IP核;所述独立IP核包括图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核。
本发明基于SoCFPGA的嵌入式图像处理方法,其图像传输步骤主要分为:(1)图像输入步骤外:外部图像采集相机采集的原始图像数据输入到图像输入单元6并发送给图像采集单元8;(2)图像采集步骤:图像采集单元8,将图像输入单元6传送来的原始图像数据进行格式转换,并发送给图像处理单元9;(3)图像处理步骤:图像处理单元9,硬件描述语言编写的相关图像处理IP核,实现图像处理算法,并发送给图像输出单元10;(4)图像输出步骤:图像输出单元10,接收FPGA处理并由图像处理单元9处理后的图像数据,并发送到上位PC图像处理***的图像接收单元11;(5)图像接收步骤:图像接收单元11,接收图像输出单元10处理完的图像数据并应用。
为了更好理解本发明的思路,图4说明了图像数据流的详细传输过程:
图像数据从外部图像采集相机流向HPS,保存在挂载在HPS上的Linux操作***的内核内存空间中;
图像数据复制到Linux操作***用户内存空间;通过Linux***函数实现;
图像数据写入位于FPGA内的缓存SDRAM中;通过HPS与FPGA间的数据总线实现;
图像数据流向图像处理IP核;通过FPGA内的图像读取IP核完成;
图像数据写入Linux操作***内核内存空间;通过图像写入IP核,并且事先已在Linux操作***中分配一块固定内存区域;
目标图像数据复制到Linux***用户内存空间;通过Linux***的字符设备文件方式,使用read函数;
图像数据输出到上位PC图像处理***中;利用网络通讯方式,使用TCP/IP协议,或者利用USB数据线。
上述步骤3所述相关图像处理IP核,是指应用图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核协同实现图像处理;具体是图像读取IP核负责读取图像数据,并传输到图像处理IP核;图像处理IP核负责处理图像数据,并传输到图像写入IP核;图像写入IP核负责将处理完的图像数据写入HPS部分的SDRAM存储器中。
本发明另一个重要内容是Linux应用程序,运行在HPS中,用来获取图像和传输图像,以及控制整个***运行。图5是Linux应用程序的执行流程图。步骤分别如下:
步骤32,启动应用程序;
步骤33,配置***,主要的工作有:(1)映射FPGA与HPS间数据总线的物理地址,转化成Linux应用程序使用的虚拟地址;(2)映射FPGA与HPS间控制总线的物理地址,转化成Linux应用程序使用的虚拟地址,通过此地址加对应的偏移地址;
步骤34,判断步骤33中是否出现错误,如果有则响应错误机制步骤39,反之进入步骤35;
步骤35,图像采集单元8采集图像数据;即,图像数据从外部图像采集相机1流向HPS,保存在Linux操作***的内核内存空间中,Linux操作***挂载在HPS上;图像数据复制到Linux操作***用户内存空间,通过Linux***函数实现;
步骤36,图像处理单元9处理图像数据;即,图像数据写入缓存SDRAM,其位于FPGA内,通过HPS与FPGA间的数据总线;图像数据流向图像处理IP核,通过FPGA内的图像读取IP核完成;
步骤37,图像输出单元10输出处理后的图像数据,即,图像数据写入Linux操作***内核内存空间,通过图像写入IP核,并且事先已在Linux操作***中分配一块固定内存区域;目标图像数据复制到Linux***用户内存空间,通过Linux***的字符设备文件方式,使用read函数;图像数据输出到上位PC图像处理***中,利用网络通讯方式,使用TCP/IP协议,也可以利用USB数据线;
步骤38,判断是否有用户中止事件发生,有则进入步骤41,没有则重新开始步骤35、步骤36和步骤37;
步骤39,分析步骤33中的错误信息;
步骤40,根据步骤39的分析结果进行判断,如果是驱动文件没有加载,则提示用户并进入步骤41,反之进入步骤33;
步骤41,结束应用程序。
如上所述,本发明SoCFPGA开发板内部包括HPS部分和FPGA部分;外部图像采集相机采集图像;由HPS(基于ARM的硬处理器***,挂载Linux操作***)将图像数据传输给FPGA部分进行处理;FPGA将处理完的图像数据传回HPS中;最后由HPS将图像数据通过TCP/IP协议传输给上位PC图像处理***,在上位PC中进行应用。本发明采用SoCFPGA方案,既利用Linux应用开发的方便、灵活,也应用FPGA并行数据处理能力的快速、高效。相比采用PC加软件、DSP和FPGA架构的图像处理***,本***方便、灵活、快速、高效、适应性强,可应用在各种机器视觉平台以及与图像处理有关的应用中。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于:包括外部图像采集相机(1)、SoCFPGA开发板(3)和上位PC图像处理***(5);
所述外部图像采集相机(1)、SoCFPGA开发板(3)和上位PC图像处理***(5)依次电讯连接;所述外部图像采集相机(1)将图像数据传送给SoCFPGA开发板(3),再由SoCFPGA开发板(3)对图像数据进行处理,并传送给上位PC图像处理***(5)。
2.根据权利要求1所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于:
所述外部图像采集相机(1)内部包括图像输入单元(6);
所述SoCFPGA开发板(3)内部包括两个部分,即HPS部分和FPGA部分;
所述上位PC图像处理***(5)内部包括图像接收单元(11);
所述HPS部分包括图像采集单元(8)、图像输出单元(10)和控制单元(7);FPGA部分包括图像处理单元(9);所述图像采集单元(8)、图像处理单元(9)和图像输出单元(10)依次电讯连接;
所述图像输入单元(6)电讯连接图像采集单元(8),所述图像输出单元(10)电讯连接图像接收单元(11);
所述控制单元(7)分别电讯连接图像输入单元(6)、图像采集单元(8)、图像输出单元(10)、图像处理单元(9)和图像接收单元(11);
所述图像输入单元(6)生成的原始图像数据传送到图像采集单元(8),随后传送到图像处理单元(9),在图像处理单元(9)中处理后再传送进图像输出单元(10),并从图像输出单元(10)输出到图像接收单元(11)。
3.根据权利要求2所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于,所述控制单元(7)控制图像输入单元(6)、图像采集单元(8)、图像输出单元(10)、图像处理单元(9)和图像接收单元(11)的运行、***配置和响应错误机制。
4.根据权利要求1所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于,所述HPS是一个基于ARM的硬处理器***,还包括ARM微处理器、SDRAM存储器,其上挂载Linux操作***。
5.根据权利要求4所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于,所述SDRAM存储器划分为内核内存空间与用户内存空间。
6.根据权利要求2所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***,其特征在于,所述FPGA部分,需要用硬件描述语言编写的配置程序驱动其工作,配置程序模块化为独立IP核;所述独立IP核包括图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核。
7.一种基于SoCFPGA的嵌入式图像处理方法,其特征在于采用权利要求1至6中任一项所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理***实现图像数据流的传输,传输步骤如下:
(1)图像输入步骤外:外部图像采集相机采集的原始图像数据输入到图像输入单元(6)并发送给图像采集单元(8);
(2)图像采集步骤:图像采集单元(8),将图像输入单元(6)传送来的原始图像数据进行格式转换,并发送给图像处理单元(9);
(3)图像处理步骤:图像处理单元(9),硬件描述语言编写的相关图像处理IP核,实现图像处理算法,并发送给图像输出单元(10);
(4)图像输出步骤:图像输出单元(10),接收FPGA处理并由图像处理单元(9)处理后的图像数据,并发送到上位PC图像处理***的图像接收单元(11);
(5)图像接收步骤:图像接收单元(11),接收图像输出单元(10)处理完的图像数据并应用。
8.根据权利要求7所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理方法,其特征在于:步骤(3)所述相关图像处理IP核,是指应用图像读取IP核、图像处理IP核和图像写入IP核协同实现图像处理;具体是图像读取IP核负责读取图像数据,并传输到图像处理IP核;图像处理IP核负责处理图像数据,并传输到图像写入IP核;图像写入IP核负责将处理完的图像数据写入HPS部分的SDRAM存储器中。
9.根据权利要求7所述基于SoCFPGA的嵌入式图像处理方法,其特征在于,所述传输步骤具体如下:
图像数据从外部图像采集相机流向HPS,保存在挂载在HPS上的Linux操作***的内核内存空间中;
图像数据复制到Linux操作***用户内存空间;通过Linux***函数实现;
图像数据写入位于FPGA内的缓存SDRAM中;通过HPS与FPGA间的数据总线实现;
图像数据流向图像处理IP核;通过FPGA内的图像读取IP核完成;
图像数据写入Linux操作***内核内存空间;通过图像写入IP核,并且事先已在Linux操作***中分配一块固定内存区域;
目标图像数据复制到Linux***用户内存空间;通过Linux***的字符设备文件方式,使用read函数;
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