调研报告—FPGA在图像处理方面的应用以及发展

数字图像处理技术在当代社会发展迅速，发挥着不可替代的作用，被广泛应用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中。随着现代科技的不断发展、技术的不断进步，人们对数字图像处理的速度和质量提出了越来越高的要求。
早在20世纪20年代，人们利用巴特蓝电缆图片传输系统，经过大西洋传送了第一幅数字图像。随后人们始终对图像处理技术以及它的各种应用怀有浓厚的兴趣，并对提高图像质量的技术进行了探索。1964年，美国喷射推进实验室(JPL)进行太空探测工作，他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片，使用数字图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大成功，为人类登月创举奠定了坚实的基础。
随着数字集成电路技术的不断发展，以及现代图像处理技术的在理论和应用上的重大进展，图像处理技术逐渐表现出以下几个方面的发展。
1)图像处理的网络化
随着网络数据库的不断发展，图像处理系统走出了一人一机的圈子，服务器/客户机、Internet、浏览器、网络数据库……图像处理系统变大了，资源也越来越丰富，知识的挖掘、图像的浏览、基于内容的查询、以网络为中心的系统结构等挑战型课题不断涌现，图像处理网络化无疑是众多新技术中影响巨大的技术之一。
2）图像处理的复杂化
图像处理技术的疑难问题很多而且极其复杂，如:文字识别技术，图像压缩技术，以及超低码率的图像解码技术和模糊图像的复原等都是需要长期研究的课题。随着图像处理技术的快速发展，以及硬件的不断进步，这些复杂问题将出现新的突破。
3)处理速度的高速化
图像处理的速度受到多方面条件的制约，由于纯软件达不到视频的实时处理的速度。随着PCI总线的引入，活动视频图像能够被送入内存中，特别是Intel公司1995年提出的NSP (native signal proccessing，自然信号处理)技术，1997年推出的含57条指令的MMX (multimedia extensions)指令集和1999年推出的含70条指令的SSE (streaming SIlVID extensions)指令集，这些重大举措使图像界成为直接受益者，计算机处理图像的速度由此有了显著提高。
实时图像处理通常涉及到大量的运算，需要很高的计算速度、存储容量和数据带宽。这对基于传统应用而设计的通用处理器而言，是个巨大的负担。因此，以往多采用价格比较昂贵的专用图像处理芯片来满足需求。专用的图像处理器件主要有专用集成芯片ASIC（Application Specific Integrated Circuit）、数字信号处理器DSP（Digital Signal Process）和现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）以及相关电路组成。它们可以实时高速完成各种图像处理算法。
FPGA器件是当今运用极为广泛的可编程逻辑器件。FPGA器件在结构上具有逻辑功能块排列，可编程的内部连线连接这些功能模块来实现一定的逻辑功能。工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM中。使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的EPROM或其他存储体上，设计者可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。FPGA有很强的灵活性，可以根据需要进行重构配置，有较强的通用性，适于模块化设计;同时其开发周期短，系统易于维护和扩展，适合实时的信号处理，能够大大提高图像数据的处理速度，满足系统的实时性要求。与此同时，FPGA自身也在迅速发展，其集成度、工作速度不断提高，包含的资源越来越丰富，可实现的功能也越来越强。随着EDA技术的不断发展，FPGA依靠其真正的硬件并行性和极大的灵活性，以及能够迅速占领市场的巨大优势，已经得到了广泛的应用。尤其在视频图像处理中，需要对大量的高速、并行的视频流数据进行实时处理，FPGA更能发挥其独有的优势。FPGA在以下方面有着独特的优势：
（1）并行性:FPGA就是特殊的ASIC ,所以FPGA具有ASIC的大部分共性，FPGA还有其自身的特点，FPGA可以很容易的实现并行处理，可以完成大规模复杂数据的运算。在视频处理中，视频的编码和解码，压缩与解压缩都需要大量的乘
法运算，FPGA提供的大量硬件乘法器可以很好的解决这个问题。2008年北京奥
运会上，大规模的视频处理都是采用ALTER公司提供的Cyclone II实现的。
（2）可编程性:可以根据用户的个性化需要进行不同的设计，并且可以多次
反复擦除，编程使用还可以在外围电路不改变的情况下通过不同的RTL(寄存器
传输级)就可以实现不一样的功能，所以使用FPGA能快速占领市场。
（3）高集成性:现阶段，有的公司的FPGA芯片，有的已经集成了AD，达到了数模混合，这样可以大大的减少外围芯片个数，有的FPGA还集成了多个数字
信号处理器件硬核，更加方便的进行数字信号处理。随着Alter公司的NIOS II的出现，FPGA集成软核处理器也将成为下一个热点，也将会得到广泛的应用。总而言之，FPGA的集成度越来越高，产品的体积就会越来越小，产品的功耗就会越来越低。
近年来，随着集成芯片制造技术的发展，FPGA在速度和集成度两方面得到了飞速提高。由于它具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，应用领域不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号处理，FPGA在数字信号处理中得到越来越广泛的应用。在具体的实际应用过程中会存在一些实际问题，如有限字长的影响、并行和串行结构的选择和FPGA内部结构对设计的影响等。
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