Tải miễn phí đồ án
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
TÓM TẮT
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Lịch sử nghiên cứu 1
3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 3
6. Nội dung trình bày luận văn 3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Tính thời sự của đề tài 5
1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài 7
1.3 Tổng quan về hệ thống thu và hiển thị ảnh 7
1.3.1 Tổng quan về các thiết bị logic lập trình 7
1.3.2 FPGA và các ưu, nhược điểm 9
1.3.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 15
1.4 Cấu trúc tổng quan hệ thống 19
1.4.1 Ý tưởng thiết kế hệ thống 19
1.4.2 Cấu trúc tổng quan hệ thống 20
1.5 Tóm tắt chương 21
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG 22
2.1 Cấu trúc phần cứng hệ thống 22
2.2 Lựa chọn chip FPGA 23
2.3 Lựa chọn cảm biến hình ảnh 26
2.3.1 Giao diện cảm biến CMOS OV9650 28
2.3.2 chức năng OV9650 28
2.3.3 Thông số kỹ thuật OV9650 29
2.3.4 Sơ đồ Pin OV9650 30
2.4 Lựa chọn khối bộ nhớ hệ thống 37
2.5 Lựa chọn giao diện hiển thị ảnh 44
Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP HÌNH ẢNH 47
3.1 Thiết kế khối Camera 47
3.1.1 Thiết kế mạch giao diện Camera 47
3.1.2 Thiết mã chương trình điều khiển camera 48
3.2 Thiết kế khối bộ nhớ hệ thống 51
3.2.1 Thiết kế mạch giao diện SDRAM 51
3.2.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển SDRAM 51
3.3 Thiết kế khối hiển thị hình ảnh 53
3.3.1 Thiết kế mạch giao diện VGA 53
3.3.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển VGA 53
3.4 Kết luận chương 57
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG TRÊN FPGA 58
4.1 Thực hiện hệ thống trên FPGA 58
4.1.1 Khối điều khiển cảm biến hình ảnh CMOS 59
4.1.2 Khối điều khiển đọc, ghi dữ liệu SDRAM 64
4.1.3 Khối điều khiển hiển thị VGA 72
4.2 Kết quả thực hiện hệ thống 74
4.3 Tóm tắt chương 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79
1. Kết luận 79
2. Kiến nghị 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
PHỤ LỤC 1: CÁC KHỐI THÀNH PHẦN 83
PHỤ LỤC 2: MÃ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THU VÀ HIỂN
THỊ ẢNH 85
PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MÃ CHƢƠNG TRÌNH 101
PHỤ LỤC 4: BẢNG ĐỊA CHỈ VÀO RA FPGA 102
TÓM TẮT
Với sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của hệ thống nhúng, nó đã được nghiên cứu ứng
dụng trong thu thập và xử lý hình ảnh. Tuy nhiên do cấu trúc thiết kế của hệ thống nhúng
hạn chế về tốc độ xử lý ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh thu được, bởi dữ liệu video có
kích thước lớn, vì vậy việc thực hiện ảnh thời gian thực với độ tin cậy cao trên hệ thống
nhúng là khó thực hiện. Đối với hệ thống thu thập hình ảnh tốc độ cao với quá trình thời
gian thực, yêu cầu tốc độ xử lý cao vì một số lượng lớn dữ liệu hình ảnh cần được xử lý.
Hệ thống thu thập hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, quân sự, y tế, an
ninh, ví dụ như: trong điện thoại video, hội nghị truyền hình, hệ thống giám sát, điều khiển
trong công nghiệp, giám sát từ xa.
Sự phát triển nhanh chóng của FPGA cung cấp một giải pháp mới cho hệ thống thu
thập và xử lý hình ảnh. Bài luận văn đưa ra một phương án về thiết kế, thực hiện hệ thống
thu thập và hiển thị hình ảnh với quá trình thời gian thực trên FPGA, với nội dung trình
bày về các ứng dụng, tình trạng nghiên cứu của hệ thống thu thập hình ảnh, so sánh ưu
điểm và nhược điểm của DSP, ASIC và FPGA trong hệ thống thu thập và xử lý hình ảnh,
đề xuất thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập hình ảnh trên FPGA. Trong thiết kế hệ
thống được chia thành năm module chức năng chính, module thu thập hình ảnh, module
lưu trữ hình ảnh, module hiển thị hình ảnh, module xử lý FPGA và module ngoại vi. Để
thực hiện hệ thống, tác giả đã đưa ra sự lựa chọn chip và thiết kế mạch phần cứng cho các
khối bao gồm: Mạch thu thập ảnh, mạch giao diện SDRAM, mạch giao diện VGA, Chip
điều khiển logic và giao diện thiết bị ngoại vi. Trong đó khối FPGA điều khiển camera,
nhận và xử lý thô dữ liệu hình ảnh thu được từ camera, dữ liệu được lưu tạm thời vào
SDRAM sau đó đọc dữ liệu hình ảnh từ SDRAM gửi ra cổng VGA hiển thị lên màn hình
LCD. Hệ thống được thực hiện bởi FPGA thuộc dòng CycloneII của Altera.
Bài luân văn thảo luận về kết quả mô phỏng các module trên phần mềm Quartus II và
thực nghiệm trên Kit DE1 của hãng Altera, kết quả đó đã chứng minh tính đúng đắn và
tính khả thi của quá trình thiết kế. Các module chính bao gồm: Module camera CMOS,
module kiểm soát đọc ghi SDRAM và module xử lý FPGA. Hệ thống được thiết kế theo
hướng nghiên cứu trên đã đạt được hiệu quả mong đợi bằng phương pháp thử nghiệm xác
minh.
Từ khóa: Thu thập hình ảnh; Bộ cảm biến hình ảnh CMOS; Thời gian thực; FPGA
Abstract
Because of the development and wide application of embedded systems, they have
been studied and applied in image acquisition and processing system. However, as the
structural design of embedded systems is limited in term of processing speed, affecting the
quality of the large size video image data, so the implementation of real-time image on the
embedded systems is difficult. For the system which collects images at high speed in real
time, requirement for high-speed processing is needed. The image acquition system is
widely applied in industrial, military, medical and security purposes such as in the video
phone, image recognition, video conferencing, monitoring system, industry control, remote
monitoring.
Rapid development of FPGA provides a new solution to the system of collecting and
processing image. This paper provides a solution for the high-speed acquisition and real-
time processes of image data based on FPGA, with contents to present about the
applications and research of image acquisition system, compare advantages and
disadvantages of DSP, ASIC and FPGA in image acquisition and processing system,
proposed a FPGA-based image acquisition and processing system. The whole system is
divided into five major functional modules: image acquisition module, image storage
module, image display module, FPGA core processing module and peripheral module. To
complet the system design, the author selects chips and designs the hardware circuit
including image acquisition circuit, SDRAM interface circuit, VGA interface circuit, the
chip’s logical control, peripheral interface logical control. FPGA is incharge of controlling
camera, receiving and processing of raw data collected from the camera, the data is
temporarily saved in SDRAM and then read image data from SDRAM to send out VGA
display on the LCD screen. The system is implemented by FPGA under the Altera's
CycloneII.
The dissertation discusses results of simulation by the Quartus II software modules and
the experimentation on Kit DE1, simulation results prove the correctness and feasibility of
the design system. These modules mainly includes: CMOS camera module， SDRAM
literacy control module and image preprocessing module. The system designed by the
above way achieves a satisfying effect by experimental verification.
Keywords : Image Acquisition; CMOS Image Sensor; Real-time; FPGA.
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh, hệ thống thu và xử lý ảnh được ứng
dụng ngày càng nhiều. Trong thị trường cảm biến hình ảnh hiện nay cảm biến
CMOS được ứng dụng nhiều do có nhiều tiện ích và hơn nữa giá thành thấp. Trong
nhiều ứng dụng của hệ thống thu và xử lý ảnh sử dụng DSP để điều khiển cảm biến
ảnh và nhận dữ liệu hình ảnh, sau đó truyền tới PC qua cổng USB [4], trong hệ
thống này, dữ liệu hình ảnh được đọc bằng phần mềm, do đó không đáp ứng được
yêu cầu thu ảnh thời gian thực.
Đối với hệ thống thu thập hình ảnh tốc độ cao với quá trình xử lý thời gian thực,
yêu cầu tốc độ xử lý cao vì một số lượng lớn dữ liệu hình ảnh cần được xử lý. Vì
vậy, công nghệ xử lý song song là đặc biệt quan trọng. Việc nghiên cứu ứng dụng
sản phẩm công nghệ xử lý song song vào hệ thống thu thập hình ảnh thời gian thực
là cần thiết và đây cũng chính là lý do em lựa chọn làm đề tài nghiên cứu “Thiết kế
và thực hiện hệ thống thu và hiển thị ảnh trên nền FPGA”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Quá trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho các hệ thống thu thập và hiển thị
hình ảnh hiện nay đã có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và có những kết quả
được công bố trên các trang báo như: ―Design of a DSP-based CMOS Imaging
System for Embedded Computer Vision‖ [4], ―Design of an Imaging System based
on FPGA Technology and CMOS Imager‖ [8], ―Design of CMOS Image
Acquisition System Based on FPGA‖ [1], FPGA – Based CMOS Image Acquisition
System‖ [2], và một số kết quả nghiên cứu khác.
Đặc biệt với các chip xử lý DSP, FPGA được sử dụng làm phương pháp thu thập
hình ảnh và đã trở thành một xu hướng trong lĩnh vực thu thập hình ảnh thời gian
thực. So với trong nước, các nước phát triển trong lĩnh vực về việc thu thập hình
ảnh và hệ thống xử lý, với sự phát triển nhanh chóng các sản phẩm có độ bền, độ tin
cậy cao, phạm vi sử dụng rộng, nhưng cần chi phí cao cho việc thực hiên hệ thống.
các sản phẩm trong nước có giá thấp hơn, với độ tin cậy và tính chính xác thấp. Vì
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
TÓM TẮT
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Lịch sử nghiên cứu 1
3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 3
6. Nội dung trình bày luận văn 3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Tính thời sự của đề tài 5
1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài 7
1.3 Tổng quan về hệ thống thu và hiển thị ảnh 7
1.3.1 Tổng quan về các thiết bị logic lập trình 7
1.3.2 FPGA và các ưu, nhược điểm 9
1.3.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 15
1.4 Cấu trúc tổng quan hệ thống 19
1.4.1 Ý tưởng thiết kế hệ thống 19
1.4.2 Cấu trúc tổng quan hệ thống 20
1.5 Tóm tắt chương 21
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG 22
2.1 Cấu trúc phần cứng hệ thống 22
2.2 Lựa chọn chip FPGA 23
2.3 Lựa chọn cảm biến hình ảnh 26
2.3.1 Giao diện cảm biến CMOS OV9650 28
2.3.2 chức năng OV9650 28
2.3.3 Thông số kỹ thuật OV9650 29
2.3.4 Sơ đồ Pin OV9650 30
2.4 Lựa chọn khối bộ nhớ hệ thống 37
2.5 Lựa chọn giao diện hiển thị ảnh 44
Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP HÌNH ẢNH 47
3.1 Thiết kế khối Camera 47
3.1.1 Thiết kế mạch giao diện Camera 47
3.1.2 Thiết mã chương trình điều khiển camera 48
3.2 Thiết kế khối bộ nhớ hệ thống 51
3.2.1 Thiết kế mạch giao diện SDRAM 51
3.2.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển SDRAM 51
3.3 Thiết kế khối hiển thị hình ảnh 53
3.3.1 Thiết kế mạch giao diện VGA 53
3.3.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển VGA 53
3.4 Kết luận chương 57
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG TRÊN FPGA 58
4.1 Thực hiện hệ thống trên FPGA 58
4.1.1 Khối điều khiển cảm biến hình ảnh CMOS 59
4.1.2 Khối điều khiển đọc, ghi dữ liệu SDRAM 64
4.1.3 Khối điều khiển hiển thị VGA 72
4.2 Kết quả thực hiện hệ thống 74
4.3 Tóm tắt chương 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79
1. Kết luận 79
2. Kiến nghị 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
PHỤ LỤC 1: CÁC KHỐI THÀNH PHẦN 83
PHỤ LỤC 2: MÃ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THU VÀ HIỂN
THỊ ẢNH 85
PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MÃ CHƢƠNG TRÌNH 101
PHỤ LỤC 4: BẢNG ĐỊA CHỈ VÀO RA FPGA 102
TÓM TẮT
Với sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của hệ thống nhúng, nó đã được nghiên cứu ứng
dụng trong thu thập và xử lý hình ảnh. Tuy nhiên do cấu trúc thiết kế của hệ thống nhúng
hạn chế về tốc độ xử lý ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh thu được, bởi dữ liệu video có
kích thước lớn, vì vậy việc thực hiện ảnh thời gian thực với độ tin cậy cao trên hệ thống
nhúng là khó thực hiện. Đối với hệ thống thu thập hình ảnh tốc độ cao với quá trình thời
gian thực, yêu cầu tốc độ xử lý cao vì một số lượng lớn dữ liệu hình ảnh cần được xử lý.
Hệ thống thu thập hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, quân sự, y tế, an
ninh, ví dụ như: trong điện thoại video, hội nghị truyền hình, hệ thống giám sát, điều khiển
trong công nghiệp, giám sát từ xa.
Sự phát triển nhanh chóng của FPGA cung cấp một giải pháp mới cho hệ thống thu
thập và xử lý hình ảnh. Bài luận văn đưa ra một phương án về thiết kế, thực hiện hệ thống
thu thập và hiển thị hình ảnh với quá trình thời gian thực trên FPGA, với nội dung trình
bày về các ứng dụng, tình trạng nghiên cứu của hệ thống thu thập hình ảnh, so sánh ưu
điểm và nhược điểm của DSP, ASIC và FPGA trong hệ thống thu thập và xử lý hình ảnh,
đề xuất thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập hình ảnh trên FPGA. Trong thiết kế hệ
thống được chia thành năm module chức năng chính, module thu thập hình ảnh, module
lưu trữ hình ảnh, module hiển thị hình ảnh, module xử lý FPGA và module ngoại vi. Để
thực hiện hệ thống, tác giả đã đưa ra sự lựa chọn chip và thiết kế mạch phần cứng cho các
khối bao gồm: Mạch thu thập ảnh, mạch giao diện SDRAM, mạch giao diện VGA, Chip
điều khiển logic và giao diện thiết bị ngoại vi. Trong đó khối FPGA điều khiển camera,
nhận và xử lý thô dữ liệu hình ảnh thu được từ camera, dữ liệu được lưu tạm thời vào
SDRAM sau đó đọc dữ liệu hình ảnh từ SDRAM gửi ra cổng VGA hiển thị lên màn hình
LCD. Hệ thống được thực hiện bởi FPGA thuộc dòng CycloneII của Altera.
Bài luân văn thảo luận về kết quả mô phỏng các module trên phần mềm Quartus II và
thực nghiệm trên Kit DE1 của hãng Altera, kết quả đó đã chứng minh tính đúng đắn và
tính khả thi của quá trình thiết kế. Các module chính bao gồm: Module camera CMOS,
module kiểm soát đọc ghi SDRAM và module xử lý FPGA. Hệ thống được thiết kế theo
hướng nghiên cứu trên đã đạt được hiệu quả mong đợi bằng phương pháp thử nghiệm xác
minh.
Từ khóa: Thu thập hình ảnh; Bộ cảm biến hình ảnh CMOS; Thời gian thực; FPGA
Abstract
Because of the development and wide application of embedded systems, they have
been studied and applied in image acquisition and processing system. However, as the
structural design of embedded systems is limited in term of processing speed, affecting the
quality of the large size video image data, so the implementation of real-time image on the
embedded systems is difficult. For the system which collects images at high speed in real
time, requirement for high-speed processing is needed. The image acquition system is
widely applied in industrial, military, medical and security purposes such as in the video
phone, image recognition, video conferencing, monitoring system, industry control, remote
monitoring.
Rapid development of FPGA provides a new solution to the system of collecting and
processing image. This paper provides a solution for the high-speed acquisition and real-
time processes of image data based on FPGA, with contents to present about the
applications and research of image acquisition system, compare advantages and
disadvantages of DSP, ASIC and FPGA in image acquisition and processing system,
proposed a FPGA-based image acquisition and processing system. The whole system is
divided into five major functional modules: image acquisition module, image storage
module, image display module, FPGA core processing module and peripheral module. To
complet the system design, the author selects chips and designs the hardware circuit
including image acquisition circuit, SDRAM interface circuit, VGA interface circuit, the
chip’s logical control, peripheral interface logical control. FPGA is incharge of controlling
camera, receiving and processing of raw data collected from the camera, the data is
temporarily saved in SDRAM and then read image data from SDRAM to send out VGA
display on the LCD screen. The system is implemented by FPGA under the Altera's
CycloneII.
The dissertation discusses results of simulation by the Quartus II software modules and
the experimentation on Kit DE1, simulation results prove the correctness and feasibility of
the design system. These modules mainly includes: CMOS camera module， SDRAM
literacy control module and image preprocessing module. The system designed by the
above way achieves a satisfying effect by experimental verification.
Keywords : Image Acquisition; CMOS Image Sensor; Real-time; FPGA.
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh, hệ thống thu và xử lý ảnh được ứng
dụng ngày càng nhiều. Trong thị trường cảm biến hình ảnh hiện nay cảm biến
CMOS được ứng dụng nhiều do có nhiều tiện ích và hơn nữa giá thành thấp. Trong
nhiều ứng dụng của hệ thống thu và xử lý ảnh sử dụng DSP để điều khiển cảm biến
ảnh và nhận dữ liệu hình ảnh, sau đó truyền tới PC qua cổng USB [4], trong hệ
thống này, dữ liệu hình ảnh được đọc bằng phần mềm, do đó không đáp ứng được
yêu cầu thu ảnh thời gian thực.
Đối với hệ thống thu thập hình ảnh tốc độ cao với quá trình xử lý thời gian thực,
yêu cầu tốc độ xử lý cao vì một số lượng lớn dữ liệu hình ảnh cần được xử lý. Vì
vậy, công nghệ xử lý song song là đặc biệt quan trọng. Việc nghiên cứu ứng dụng
sản phẩm công nghệ xử lý song song vào hệ thống thu thập hình ảnh thời gian thực
là cần thiết và đây cũng chính là lý do em lựa chọn làm đề tài nghiên cứu “Thiết kế
và thực hiện hệ thống thu và hiển thị ảnh trên nền FPGA”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Quá trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho các hệ thống thu thập và hiển thị
hình ảnh hiện nay đã có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và có những kết quả
được công bố trên các trang báo như: ―Design of a DSP-based CMOS Imaging
System for Embedded Computer Vision‖ [4], ―Design of an Imaging System based
on FPGA Technology and CMOS Imager‖ [8], ―Design of CMOS Image
Acquisition System Based on FPGA‖ [1], FPGA – Based CMOS Image Acquisition
System‖ [2], và một số kết quả nghiên cứu khác.
Đặc biệt với các chip xử lý DSP, FPGA được sử dụng làm phương pháp thu thập
hình ảnh và đã trở thành một xu hướng trong lĩnh vực thu thập hình ảnh thời gian
thực. So với trong nước, các nước phát triển trong lĩnh vực về việc thu thập hình
ảnh và hệ thống xử lý, với sự phát triển nhanh chóng các sản phẩm có độ bền, độ tin
cậy cao, phạm vi sử dụng rộng, nhưng cần chi phí cao cho việc thực hiên hệ thống.
các sản phẩm trong nước có giá thấp hơn, với độ tin cậy và tính chính xác thấp. Vì
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links