在FPGA上进行图像处理及其示例

借助FPGA技术和NI视觉开发模块，您可以对从相机采集的图像进行高速现场可编程门阵列(FPGA)处理。 FPGA处理尤其适用于要求图像采集和处理之间具有低延迟的应用。 本文概述了如何在FPGA上进行图像处理，包括典型的应用案例。
 

1. FPGA编程介绍

NI LabVIEW FPGA模块是LabVIEW图形化编程环境的自然扩展。 您可以使用VHDL等底层语言进行复杂的FPGA编程。 但是如果您熟悉LabVIEW，您将可快速学会使用LabVIEW FPGA。 这可大幅缩短FPGA编程应用的开发时间，避免进行自定义硬件设计。 与使用HDL进行编程不同，您可以在LabVIEW程序框图界面上开发应用，LabVIEW FPGA会合成图形化代码并将其部署到FPGA硬件上。

2. FPGA图像处理

许多图形处理算法具有内在并行性，因此适用于使用FPGA。 这些包含感兴趣像素、行和区域运算的算法不需要图案(pattern)等高级图像信息。 您可以同时对多个小区域位或图像的多个区域执行这些函数。 图像数据也可以并行传输到FPGA并同时进行处理，这是因为数据的处理不需要使用中央处理器。 NI视觉开发模块包含了50多个图像处理函数，可结合NI LabVIEW FPGA模块在FPGA上处理图像。 以下列出了几个视觉开发模块可以用于FPGA的图像处理函数示例：

预处理 

图像变换

图像算子

阴影校正

拜尔解码

色彩空间转换

一维和二维快速傅里叶变换

滤波（平滑/锐化）

二值形态学

特征抽取

边缘、线和棱角

二进制对象

颜色

测量

质心

面积测算

 

3. 视觉开发模块FPGA功能概述

视觉开发模块与NI LabVIEW FPGA模块一起安装后，“视觉”选板就会包含用于FPGA图像处理的函数。

图1. 视觉选板包含了多个用于FPGA图像处理的函数。

视觉选板包含了图像变换VI，可用于FPGA和CPU之间的图像传输。 第二部分——FPGA视觉应用案例探讨了不同的应用场景以及为什么FPGA和CPU之间传输图像时有时需要转换图像。

NI视觉开发模块包含了Vision Assistant Express VI，该VI可通过握手和同步自动生成LabVIEW FPGA图像处理代码，无需编写底层同步代码。 您可以通过LabVIEW程序框图打开Vision Assistant，也可以将其作为一个独立的程序打开来创建针对特定NI硬件的LabVIEW项目。

图2. Vision Assistant可作为一个独立的程序打开来生成针对特定硬件的代码。

选择好硬件之后，Vision Assistant可以估算出图像处理脚本所需的FPGA资源。 然后生成一个包含一个主机VI和FPGA VI的LabVIEW项目来进行图像处理和转换。

图3. 创建图像处理脚本之后，Vision Assistant将自动生成一个包含硬件终端、主机VI（如果规定的话）和FPGA VI的LabVIEW项目来进行图像处理和转换。

4. FPGA视觉应用案例

应用场景1： 仅FPGA的处理，用于高速控制

FPGA图像处理可降低图像分析所需的计算资源。 由于FPGA是一个硬件资源，因而可将CPU资源释放出来来执行其他运算。 执行分析时不需要CPU的干预，因此大大降低了图像处理到控制信号输出之间的延迟。 图4显示的例子可帮助您了解如何使用FPGA来释放CPU资源。 在本例中，FPGA执行所有的图像处理并生成输出信号。 这使得系统延迟降到最低，从而能够快速生成控制信号。

图4. 所有处理任务均在终端的FPGA上执行。 这使得CPU能够执行其他任务，从而最大程度降低系统延迟。