基于FPGA的智能视频信号处理技术要点

李楠 西安交通大学城市学院

视频能够帮助人们准确、直观、高效的接受信息。视频应用系统的环节十分复杂，其中主要包括信息采集、传送、转换以及显示等，在这些应用环节中，会由于各种不可避免的原因而在不同程度上降低图像的质量和清晰度。例如，在摄影的过程中，由于外部光照强弱不同等外在环境因素就会最终导致图像太亮或者太暗；同时，光学系统在电子设备发生失真或者大气流动的情况下都会导致图像不清晰，模糊；另外，信道传输和系统软件也会引入各种噪声。上述问题都会在一定程度上影响着视觉效果，同时也会视频图像的传输和储存。

1 基于FPGA的智能视频信号处理技术的结构特性及参数

逻辑资源比较多。在我国半导体技术快速发展，超大规模集成电路制作工艺水平日渐提高的形势下，可用于内部的单片FPGA逻辑资源的数量也逐渐增多。逻辑资源比较多。在我国半导体技术快速发展，超大规模集成电路制作工艺水平日渐提高的形势下，A1tera公司生产的cycloneII系列中的FPGA最大程度上可以容纳68416个LE。除此之外，随着可用的IO数量不断地增多，在我国现阶段，A1tera公司研发出的NIOS处理嵌入式软核CPU技术大大提高了FPGA的功能。

2 基于FPGA的智能视频信号处理技术的作用

基于FPGA智能信号视频处理技术的优势非常多，例如，它不仅可以有效、精确的进行延时处理和延时控制，同时也能够在一定程度上通过应用时序分析和时序约束这两种方式，科学、精确的计算出各种器件间的信号传输和延时，并能够进一步提升系统工作的安全性、稳定性，以及系统运行的效率。同时，对于高速DDR SDRAM的控制和设计来说，利用专用的时钟引脚驱动，准确的计算出时钟延迟与信号延迟，可以有效的确保系统能够长时间的稳定运行，从而在最大的程度上减少数据存取过程中出错的概率。

3 阈值分割技术

随着我国科学技术的发展，阈值分割的算法越来越多。比如，可以先选择一副灰度图像，在图像上合理的选择一个适当的像素点灰度值当做图像分割的准确阂值，再逐一的对该灰度值和图像中的像素灰度值进行比对，并把对比的结果分别分为背景目标和前景目标。背景目标主要是指灰度值小于阀值的像素[1]。前景目标主要是指灰度值大于阀值的像素。在这其中，当像素的灰度值与选取的阀值相等时，就能够把这些像素随意分为前景目标或者是背景目标。在大多数情况下，前景目标和背景目标像素都属于图像中的两大部分。因此，对于一副灰度级较为完整的图像来说，一定要根据阀值的具体分类来更好地实现区域分割的根本目标。

根据以上的分析，在对图像的阈值进行分割的整体过程中，一定要具备如下特点：（1）在分割图像的每一个子区域时，一定要在原图像的基础上进行，并把每一个子区域进行适当的组合就可以形成与之对应的原始图像。（2）在对图像进行分割工作过程中，任何子区域之间都不会产生交集。（3）分割后的各个子区域都具有属于自己的非常独特的特征，也可以说是，在同一区域内的像素在一定程度上具有一定的共同特性。（4）每一个子区域各自的性质都不相同，并且他们之间也没有公共元素。（5）每一个子区域内的各个像素之间的联系都是十分紧密的，也就是说，属于同一区域内的任意的两个像素之间应该是相互连通的。这就进一步说明了，在对图像进行阀值分割的过程中一定要先选择一个适当的阀值，然后在逐一对比阀值和各个像素点，并根据对比结果来划分前景目标和背景目标。

根据上面陈述的内容来看，FPGA的智能视频信号处理技术中的阀值分割最关键的一个环节就是阀值的确定，如果阀值的选择得当，并能够得到准确的阀值，就能够更加快速的把目标和背景进行有效的分离。在准确的确定分割阀值之后，就要采用并行处理的算法，来进一步分析与比较图像中各个像素点和阀值，并合理的划分像素灰度，最后在根据相关的阀值分割结果来给出图像区域。

4 图像增强技术

图像增强技术是FPGA的智能视频信号处理过程中最重要的一个环节，同时也是最为关键的一个部分，并在图像的处理与加工过程中发挥着积极不可替代的作用。图像增强技术具体就是指提升对图像目标的识别能力，该技术最直接的作用就是在最大限度上提升图像的可分辨度，或者是把图像通过科学的方法把图像合理的转换成一种更适合利用计算机进行辅助处理的形式。彩色图像增强技术主要的内容是指在灰度图像增强技术的基础上，进行进一步的发展与完善，因此就要熟练地掌握灰度图像增强技术。

图像增强技术主要分为两个部分，一部分是空域处理，另外一个部分就是频域处理。其中应用最为广泛的就是空域增强的方法。空域增强法能够在直接处理图像像素的基础上根据相关的要求进行图像增强也就是童工图像的空间信息（像素位置和像素值）进行图像增强。大多数情况下，由于没有适用于图像增强技术的通用理论，从而就导致图像增强技术在面对各种各样的对象时，要选择十分合理的方法来进行相关的技术处理，以此来进一步增强原始图像在某一种特定对象的实用性。

判断一个图像处理系统的好坏最重要的一个基础条件就是是否可以对图像进行及时、有效的处理。由于滤波器的复杂性在日常应用过程中解决问题的的效率较低，运算速度较快以及事实性性较差，从而导致滤波器的应用不是很常见。一方面，采用FPGA智能视频信号处理技术不仅能够有效增强算法，同时凭借它的优越性也能够有效的来弥补PC机算法的不足以及耗时较长的缺陷。另一方面，利用FPGA智能视频信号处理技术能够在最大程度上实现与图像增强算法快速提高处理器的工作效率和运转速度，并有效改善系统的实时性，因此，FPGA的智能视频信号处理技术具有十分高的理论价值和实用价值。

5 结束语

总而言之，基于FPGA的智能视频信号处理与其它硬件相比，其视频信号处理的效果更加良好，并且具有低成本、低消耗、速度快以及高信噪比等一系列的优点。对于FPGA的智能视频信号处理技术来说，阈值分割以及图像增强是非常关键的两个部分。其中效果最好的就是ALTERA公司设计、生产的CYCLONE IV系列中EP4CE30F23C6这一款性能比较高的核心板，这种核心板在视频图像处理以及数据采集方面的实用性非常高。除此之外，FPGA的智能视频信号处理技术也有利于嵌入式系统的开发、无线视频的传输，并能够进一步促进我国智能信号处理技术水平的发展。

[1]李后英.基于FPGA的焊缝图像处理系统设计[D].哈尔滨工程大学,2016.

[2]冯亮.机器视觉技术的视频跟踪系统研究及FPGA实现[D].贵州大学,2015.

[3]杜振宇.基于FPGA的图像匹配技术的研究[D].中北大学,2013.

[4]来海军.基于FPGA的双通道视频采集与预处理系统设计[D].南京理工大学,2013.

[5]符多铎.基于FPGA的运动目标检测方法研究[D].中北大学,2014.