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去留无意，闲看庭前花开花落；宠辱不惊，漫随天外云卷云舒。——《幽窗小记》

基于FPGA的视频处理系统设计与实现

随着数字化技术与高清视频的普及，基于FPGA的视频处理系统的应用也越来

越广泛。它们可以满足人们对于视频质量、速度和响应性能的要求。FPGA作为一

种高度可编程的器件，可根据应用需求任意重构电路结构，使得视频处理系统具有

高度的扩展性、灵活性和定制性。本文将从设计目标、系统结构、视频数据流传输、

数字信号处理、硬件开发与软件开发等多个方面来介绍基于FPGA的视频处理系

统的设计与实现。

一、设计目标

在设计基于FPGA的视频处理系统时，我们需要考虑以下几个方面：

1.视频质量：在视频的采集、传输和显示过程中需要确保视频的清晰、流畅和

无噪音。

2.速度：视频处理系统需要具备高速的处理能力，可以迅速对视频进行处理，

以达到实时性和响应性能。

3.低功耗：由于FPGA系统是基于硬件实现的，所以需要考虑低功耗来满足电

源限制和延长电池寿命。

4.设计可重用：这就需要设计出可重用的平台，方便进行软件开发和硬件设计。

二、系统结构

基于FPGA的视频处理系统的系统结构如图1所示。它主要由三个部分组成：

视频输入模块、视频处理模块和视频输出模块。

1.视频输入模块

视频输入模块主要负责从相机或视频文件中采集视频数据，并将其转换成数字

信号传输给FPGA。该模块包括视频采集和视频解码两个部分。

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2.视频处理模块

视频处理模块主要是对采集到的视频数据进行处理，包括降噪、滤波、缩放、

边缘检测、图像增强等操作。它往往是FPGA设计的重点。

3.视频输出模块

视频输出模块主要把处理好的视频数据输出到显示器、硬盘或网络等外设上，

并在此过程中再次进行编码技术，使传输数据量减小，加快传输速度。该模块还需

要实现垂直同步、交错、逆交错等技术来保证视频输出的正确性和质量。

图1：基于FPGA的视频处理系统结构图

三、视频数据流传输

视频数据流传输是视频处理系统中非常重要的一环，它利用高带宽的总线来传

输大量数据。视频数据流传输主要有以下三种方式：

1.像素传输

像素传输是最常用的一种方式，它将每个像素的RGB值保存在一个字节中，

并采用三根数据线分别传输每个像素的R、G、B值。

2.并行传输

并行传输利用FPGA的多个IO口，通过多个数据线同时传输不同的数据，从

而提高传输速度。

3.串行传输

串行传输采用单个数据线，将数据逐个比特传输。虽然传输速度较慢，但它可

以采用DMA技术，使得传输过程中CPU负载较小，从而能够实现更高效的数据

传输。

四、数字信号处理

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数字信号处理是视频处理系统中最重要的环节之一，主要包括降噪、滤波、缩

放、边缘检测、图像增强等处理。

1.降噪

降噪处理主要是针对图像中的噪音进行去除，以提高图像质量。常用的降噪技

术有中位数滤波、高斯滤波、双边滤波等。

2.滤波

滤波处理主要是去除图像中的高频噪声，以使图像边缘更加清晰。常用的滤波

技术有锐化、软化、模糊、平滑等。

3.缩放