最近幾年圖像處理與機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展非常迅速，圖像處理領(lǐng)域也被認(rèn)為是未來(lái)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(duì)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(lái)越小，實(shí)時(shí)性也越來(lái)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(tái)帶來(lái)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(tái)，一般運(yùn)行在Windows平臺(tái)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(gè)比較復(fù)雜的高分辨率圖像處理算法花費(fèi)半個(gè)小時(shí)或更多時(shí)間也是常見(jiàn)的事情。然而，對(duì)于實(shí)時(shí)圖像處理，例如實(shí)時(shí)跟蹤和視頻顯示，這個(gè)處理速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 
　　正是由于這個(gè)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(kāi)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(shí)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(duì)數(shù)字視頻、圖像采樣處理、視覺(jué)分析等應(yīng)用進(jìn)行了剪裁和優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)特定的圖像處理任務(wù)，需要利用其內(nèi)部的處理器來(lái)進(jìn)行串行化軟件處理。多核處理器的發(fā)展使得多個(gè)圖像處理任務(wù)可以同時(shí)執(zhí)行，也大大提高了圖像處理的實(shí)時(shí)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(shí)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(jì)算的需求。 
　　隨著成像傳感器技術(shù)和信號(hào)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(lái)越高，圖像處理算法越來(lái)越復(fù)雜，圖像處理結(jié)果的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，基于PC和DSP軟件平臺(tái)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(lái)了新的活力，特別是針對(duì)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(tái)快得多的處理速度，利用其流水線技術(shù)可以在每個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)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(tái)是圖像處理平臺(tái)的主流。此外，F(xiàn)PGA在一些低成本的機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，著者所在實(shí)驗(yàn)室研究的利用線列CCD和激光實(shí)現(xiàn)高精度位移測(cè)量項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用FPGA實(shí)現(xiàn)CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換和測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)高速接口與上位機(jī)。 
　　在FPGA上實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖像處理算法包括確定具體算法和對(duì)其進(jìn)行并行性改造、將算法中計(jì)算和存儲(chǔ)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(kāi)資料可供初學(xué)者學(xué)習(xí)該領(lǐng)域的知識(shí)，可以讓初學(xué)者深入了解設(shè)計(jì)思路、過(guò)程、代碼的文獻(xiàn)資料更難找到。 
　　為改變這一現(xiàn)狀，本書(shū)從FPGA圖像處理理論和分析入手，重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)代碼，同時(shí)用循序漸進(jìn)、自頂向下的方式設(shè)計(jì)FPGA算法模塊，針對(duì)每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)框圖，確保讀者能理解算法設(shè)計(jì)的原理。此外，每個(gè)算法都配有Verilog實(shí)現(xiàn)方法，并給出仿真結(jié)果。本書(shū)還提出了一個(gè)通用的利用Modelsim和VS實(shí)現(xiàn)圖像處理的仿真測(cè)試平臺(tái)。 
　　本書(shū)內(nèi)容概述如下： 
　�。�1）第1～5章是基礎(chǔ)章節(jié)，重點(diǎn)介紹數(shù)字圖像處理和FPGA程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。 
　　第1章簡(jiǎn)單介紹了圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)，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(chǔ)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(kāi)發(fā)流程。接著介紹了基于FPGA的圖像處理的基本開(kāi)發(fā)流程。
　　第3章主要介紹了在FPGA中應(yīng)用的編程語(yǔ)言。本章并沒(méi)有詳細(xì)介紹Verilog語(yǔ)法，而是從工程應(yīng)用的角度介紹常用的設(shè)計(jì)方法和實(shí)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(jì)方法，接著介紹了FPGA硬件計(jì)算技術(shù)，包括一些常用的計(jì)算轉(zhuǎn)換、查找表、浮點(diǎn)計(jì)算、Cordic計(jì)算等方法。最后介紹了在圖像處理中用途非常多的存儲(chǔ)器映射，并提出了一些其他設(shè)計(jì)技巧。 
　　第5章首先簡(jiǎn)要介紹了仿真測(cè)試軟件Modelsim的使用，接著重點(diǎn)介紹了一個(gè)通用的視頻圖像處理仿真測(cè)試系統(tǒng)。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括完整的視頻模擬、視頻捕獲，以及testbench設(shè)計(jì)，并結(jié)合基于MFC的VC上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的搭建。 
　�。�2）第6～10章主要介紹算法實(shí)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(shí)現(xiàn)：直方圖統(tǒng)計(jì)、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(jiàn)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(shí)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?yàn)V波的基本原理及其FPGA實(shí)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(kāi)運(yùn)算及閉運(yùn)算等。重點(diǎn)介紹了基于FPGA的Tophat濾波的原理及實(shí)現(xiàn)方法。 
　　第10章主要介紹基于圖像處理的常見(jiàn)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(diǎn)介紹基于FPGA的局部自適應(yīng)閾值分割和Canny算子的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)。 
　　為了確保讀者能夠快速地掌握FPGA圖像處理設(shè)計(jì)方法，本書(shū)提供了算法章節(jié)的全部源代碼。 
　　本書(shū)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(shū)由牟新剛統(tǒng)稿。 
　　本書(shū)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(duì)這些文獻(xiàn)的作者一并表示謝意。盡管我們?yōu)榫帉?xiě)本書(shū)付出了心血和努力，但仍然存在一些疏漏及欠妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。 
　　著者 
　　2016.5