最近幾年圖像處理與機(jī)器視覺的發(fā)展非常迅速，圖像處理領(lǐng)域也被認(rèn)為是未來幾十年最有前途的領(lǐng)域之一。 
　　隨著現(xiàn)代圖像及視頻處理技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對圖像處理提出了新的要求，圖像處理系統(tǒng)的硬件體積越來越小，實時性也越來越好。特別是最近幾年，圖像的分辨率和掃描頻率都有了較大范圍的提升，1080P分辨率的視頻已經(jīng)非常流行，2K甚至4K分辨率的圖像也在火熱發(fā)展中。目前比較火熱的VR技術(shù)更是需要雙通道的高分辨率、高掃描頻率的視頻數(shù)據(jù)及處理能力。 
　　這些新的要求給之前的圖像處理平臺帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)主要基于軟件平臺，一般運(yùn)行在Windows平臺的PC上。雖然現(xiàn)代PC的主頻較高，但是用軟件的串行化處理方法進(jìn)行圖像處理的效率還是非常低的。例如，用PC處理一個比較復(fù)雜的高分辨率圖像處理算法花費半個小時或更多時間也是常見的事情。然而，對于實時圖像處理，例如實時跟蹤和視頻顯示，這個處理速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 
　　正是由于這個原因，嵌入式圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，一些帶有圖像視頻處理組件的嵌入式處理器開始在圖像處理領(lǐng)域大顯身手，例如，TI公司生產(chǎn)的達(dá)芬奇系列的DSP。這些組件實際上是圖像處理硬核，但是大部分是標(biāo)準(zhǔn)化接口的硬核，針對數(shù)字視頻、圖像采樣處理、視覺分析等應(yīng)用進(jìn)行了剪裁和優(yōu)化。對于一個特定的圖像處理任務(wù)，需要利用其內(nèi)部的處理器來進(jìn)行串行化軟件處理。多核處理器的發(fā)展使得多個圖像處理任務(wù)可以同時執(zhí)行，也大大提高了圖像處理的實時性。盡管這些嵌入式處理器的發(fā)展加快了圖像處理和視頻分析的實際應(yīng)用，但其本質(zhì)上仍為軟件處理的串行方式，難以滿足通用圖像處理中大數(shù)據(jù)量計算的需求。 
　　隨著成像傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像的分辨率、幀頻和像元有效位數(shù)越來越高，圖像處理算法越來越復(fù)雜，圖像處理結(jié)果的實時性要求越來越高，基于PC和DSP軟件平臺的圖像處理系統(tǒng)已難以滿足要求。由于圖像處理算法天然的并行性，F(xiàn)PGA的加入給圖像處理帶來了新的活力，特別是針對圖像處理底層一些并行特性的圖像處理算法。例如二維卷積，F(xiàn)PGA可以保證在極低主頻下得到比DSP平臺快得多的處理速度，利用其流水線技術(shù)可以在每個時鐘輸出一個處理后像素。然而，F(xiàn)PGA并不適合進(jìn)行串行化處理算法和部分其他的上層算法。因此，目前DSP+FPGA平臺是圖像處理平臺的主流。此外，F(xiàn)PGA在一些低成本的機(jī)器視覺領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，著者所在實驗室研究的利用線列CCD和激光實現(xiàn)高精度位移測量項目，該項目利用FPGA實現(xiàn)CCD時序驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換和測量算法實現(xiàn)，并實現(xiàn)高速接口與上位機(jī)。 
　　在FPGA上實現(xiàn)一個圖像處理算法包括確定具體算法和對其進(jìn)行并行性改造、將算法中計算和存儲需求與FPGA內(nèi)部可用資源相映射、將算法映射到硬件結(jié)構(gòu)上等步驟。然而，目前只有很少的公開資料可供初學(xué)者學(xué)習(xí)該領(lǐng)域的知識，可以讓初學(xué)者深入了解設(shè)計思路、過程、代碼的文獻(xiàn)資料更難找到。 
　　為改變這一現(xiàn)狀，本書從FPGA圖像處理理論和分析入手，重點講解圖像處理算法移植到FPGA中的基本思路和方法，突出工程應(yīng)用。每一章均附有C/C++實現(xiàn)代碼，同時用循序漸進(jìn)、自頂向下的方式設(shè)計FPGA算法模塊，針對每一個模塊設(shè)計了詳細(xì)的實現(xiàn)框圖，確保讀者能理解算法設(shè)計的原理。此外，每個算法都配有Verilog實現(xiàn)方法，并給出仿真結(jié)果。本書還提出了一個通用的利用Modelsim和VS實現(xiàn)圖像處理的仿真測試平臺。 
　　本書內(nèi)容概述如下： 
　�。�1）第1～5章是基礎(chǔ)章節(jié)，重點介紹數(shù)字圖像處理和FPGA程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識。 
　　第1章簡單介紹了圖像處理的基礎(chǔ)知識，包括圖像處理的發(fā)展現(xiàn)狀，還地介紹了圖像從獲取到顯示存儲的基本流程。 
　　第2章首先介紹了FPGA的發(fā)展現(xiàn)狀，生產(chǎn)廠家及其開發(fā)流程。接著介紹了基于FPGA的圖像處理的基本開發(fā)流程。
　　第3章主要介紹了在FPGA中應(yīng)用的編程語言。本章并沒有詳細(xì)介紹Verilog語法，而是從工程應(yīng)用的角度介紹常用的設(shè)計方法和實例。 
　　第4章主要介紹了把軟件算法映射到FPGA常用的技巧。首先介紹了應(yīng)用較廣泛的流水線設(shè)計方法，接著介紹了FPGA硬件計算技術(shù)，包括一些常用的計算轉(zhuǎn)換、查找表、浮點計算、Cordic計算等方法。最后介紹了在圖像處理中用途非常多的存儲器映射，并提出了一些其他設(shè)計技巧。 
　　第5章首先簡要介紹了仿真測試軟件Modelsim的使用，接著重點介紹了一個通用的視頻圖像處理仿真測試系統(tǒng)。這個測試系統(tǒng)包括完整的視頻模擬、視頻捕獲，以及testbench設(shè)計，并結(jié)合基于MFC的VC上位機(jī)來實現(xiàn)測試系統(tǒng)的搭建。 
　�。�2）第6～10章主要介紹算法實現(xiàn)。 
　　第6章介紹直方圖操作，主要介紹幾種常用直方圖操作的FPGA實現(xiàn)：直方圖統(tǒng)計、直方圖均衡、直方圖規(guī)定及直方圖線性拉伸。 
　　第7章介紹基于圖像處理的線性濾波。首先，介紹了均值濾波算法、高斯濾波算法、Sobel算子及FFT等常見的幾種線性濾波原理。其次，介紹了均值濾波算法和Sobel算子的FPGA實現(xiàn)。 
　　第8章主要介紹基于圖像處理的非線性濾波算法，包括排序濾波的基本原理及其FPGA實現(xiàn)方法。 
　　第9章主要介紹基于圖像處理的形態(tài)學(xué)濾波算法，包括形態(tài)學(xué)濾波的基本概念，包括形態(tài)學(xué)膨脹、形態(tài)學(xué)腐蝕、開運(yùn)算及閉運(yùn)算等。重點介紹了基于FPGA的Tophat濾波的原理及實現(xiàn)方法。 
　　第10章主要介紹基于圖像處理的常見的分割算法，包括全局閾值分割、局部自適應(yīng)閾值分割及Canny算子。重點介紹基于FPGA的局部自適應(yīng)閾值分割和Canny算子的設(shè)計與實現(xiàn)。 
　　第11章主要介紹與視頻和圖像處理相關(guān)的輸入/輸出接口，包括CameraLink、火線接口、USB接口、千兆以太網(wǎng)等視頻輸入接口和CVT標(biāo)準(zhǔn)，以及VGA，PAL，DVI，HDMI等視頻輸出接口。其中，給出了VGA和PAL接口的Verilog代碼實現(xiàn)。 
　　為了確保讀者能夠快速地掌握FPGA圖像處理設(shè)計方法，本書提供了算法章節(jié)的全部源代碼。 
　　本書由武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院牟新剛、周曉和鄭曉亮合著，全書由牟新剛統(tǒng)稿。 
　　本書參考了相關(guān)著作及資料的部分內(nèi)容和圖表，部分技術(shù)資料取材于互聯(lián)網(wǎng)，在此對這些文獻(xiàn)的作者一并表示謝意。盡管我們?yōu)榫帉懕緯�付出了心血和努力，但仍然存在一些疏漏及欠妥之處，敬請讀者批評指正。 
　　著者 
　　2016.5