1. 研究目的与意义
目前，数字图像处理的算法研究已经日趋成熟，在这种背景下，有效提高图像处理的实时性，解决实际系统设计的响应速度瓶颈问题，便有了巨大的应用前景。随着芯片技术的高速发展，现场可编程逻辑门阵列（FPGA）在系统结构上为数字图像处理带来了新的契机。数字图像处理的特点是需要处理的数据量巨大，传统软件处理的方法在实时处理的领域不能很好的胜任工作，在FPGA普及之前，这类问题多采用ASIC架构的芯片进行处理，但是ASIC芯片是专用集成电路，不仅设计周期长，而且在规模效应产生前，价格非常昂贵，在实时数字图像处理需求蓬勃发展的今天，FPGA更加适应多变复杂的需求。
FPGA结构灵活、现场可编程、并行处理信息，兼顾速度和灵活性。另外，其通用性强、适于模块化设计、易于维护和扩展、开发周期较短，适合用来做实时图像处理。因此，基于FPGA设计一个基于VGA实时显示图像边缘检测信息的系统有着广泛的应用前景和深远的现实意义。
2. 课题关键问题和重难点
本课题的难点已经不在于，Sobel子卷积的实际应用，因为前人已经有了丰富的应用方案和解绝办法，现在的重点在于，整个课题的完整设计和跨时钟域之间的处理，可能会出现亚稳态的相关问题，以及如何提高资源的利用率，降低资源的占用，用最少的FPGA资源完成图像的边缘检测。
具体而言，关键问题如下：
(1)摄像头的时序的行读写和帧读写的时序控制
3. 国内外研究现状（文献综述）
边缘包含了图像的部分基本特征，主要是图像的轮廓信息,在图像处理领域，边缘检测一般是图像进一步处理的前提条件。处理后的图像被应用于众多信息识别控制领域，比如在生产线的自动化过程中边缘检测可以节省大量的人力消耗,利用对生产目标的图像边缘检测，再进行筛选可以大大提高生产效率，再如边缘检测在车牌识别、车流量监控和自动导航等技术中已是重要环节,这些都是现代交通信息控制领域的重要应用。通过图像边缘检测,提取的有效信息，极大的简化了后续图像处理过程对图像的分析。所以边缘检测技术已成为国内外研究的热点。在很多需要实时数字图像处理系统设计中，由于实时数字图像处理的数据量大、处理速度高,这是传统的软件处理无法满足的，但是硬件的处理可以很好的满足需求。
那么为什么不选择ASIC模块对问题进行处理呢？首先ASIC模块设计周期长，在没有规模效应前成本及其高昂，并且无法重构，无法像FPGA那样可根据需求改变，减少开发成本，在规模不算很大的应用场景下，FPGA是不二之选,现场可编程门阵列(FPGA)器件的出现为数字图像处理提出了新的思路和途径。FPGA是当今最流行的可编程器件,其丰富的逻辑和存储资源使其能够实现并行和流水线处理,并且动态配置灵活性、处理速度高和系统的可移植性等特点使FPGA非常适合图像处理领域。
Sobel算子。对数字图像{f (i, j)}的每个像素点，考察它上、下、左、右邻点灰度加权差，与之接近的邻点的权值大。Sobel算子很容易在空间上实现，Sobel边缘检测器不但产生较好的边缘检测效果，而且受噪声的影响也比较少。
4. 研究方案
本课题拟采用搭载EP4CE10F17C8芯片的AX4010黑金开发板，EP4CE6F17C8芯片是ALTERA 公司的 Cyclone IV 系列 的FPGA，板载时钟时50MHz，FPGA内部包含两个PLL,我们这里用它们分频倍频从而实现其他频率的时钟。FPGA是可编程逻辑器件，灵活性非常高，可以通过设计寄存器送到输出端口，来模拟I2C时序，另外对于SDRAM的时序控制、VGA驱动、RGB转换Ycbcr、sobel检测、按键检测等模块都可以直接配置硬件电路来实现。针对FPGA的掉电易失性，可以把程序转换成固化到片外flash中，从flash中读取启动，完成FPGA初始化。
外接模块采用OV5640摄像头去采集RGB565格式的像素数据，图像显示方案因为成本问题暂考虑使用VGA信号传输显示或者使用TFT液晶显示。
本项目实现思路与方法：如图1，首先通过OV5640摄像头模块采集RGB565格式的像素数据，然后把RGB565数据交给帧的读写控制模块（这里主要是用filo做临时缓存），之后fifo的数据再交给SDRAM做进一步的缓存，从SDRAM读出数据后传给fifo，fifo把16位RGB数据交给视频时序控制模块（产生行、帧同步信号），之后再经过RGB转Ycbcr取其中的Y值（256台阶的灰度值），由sobel模块算相邻像素点突变值与阈值比较进而得到是边缘的像素点，最终由VGA或者液晶TFT屏幕显示。
5. 工作计划
第一阶段（2023年2月1日－2023年3月15日）：资料收集，整理，确定论文的写作思路，技术路线，论文提纲等，模型分析，方法应用等。
第二阶段（2023年3月15日-2023年3月31）：完成论文的提纲文献，课题研究背景及其意义和基本概念和理论部分。
第三阶段（2023年3月15日－2023年4月1日）：先上板验证非实时显示Sobel算子边缘检测结果，可以大大减少因为时序问题导致卡进度，验证后开始顶层到底层的完整设计，实验相关材料到手后完成上版验证，然后完成论文实验数据部分。
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