Quartus II SOPC Builder 图像处理
图像处理算法具有多样性和复杂性，而随着图像实时性要求的增加，处理速度成为了图像处理的瓶颈。可编程阵列（FPGA）具有硬件可编程性和并行处理性，而利用 FPGA 来实现的可编程片上系统（SOPC）既具有模板设计的特性，又具有ASIC的系统级设计特性，可以大大缩短系统的开发周期。
1 FPGA特点
从某些方面上看，FPGA 也是一种专用集成芯片，它们具有专用集成芯片的特点，同时，还有自己付的优势：（1）FPGA 需要的较少的资金投入，风险较低。FPGA 设计者可以在特定的软硬件平台上进行芯片的功能方面设计，不需要投片，所以在这方面没有风险，也不用任何费用。（2）总的来说，FPGA 的规模不断变大，开发投入不断减少，可多次编写、擦除，功能强，灵活且保密性好，有较智能的开发工具，因此，用可编程门阵列进行设计的优势越来越明显，应用领域越来越广。
2 系统总体设计
该系统主要由嵌入式 NIOS II 处理器，外部 SRAM、FLASH 等存储器，PIO，外部 SD卡以及系统内部相关组件构成，如图 1 所示。系统的工作流程是：首先通过 SD 卡接口驱动外部 SD 卡，读取 SD 卡中存储的图像，随后利用简化 SURF 算法，定位罔像中的特征点并建立描述子，虽终实现特征线段的计算所求取的特征线段可以用来进行日标定位。
3 系统软硬件开发
系统开发由硬件和软件两部分组成。系统硬件是最底层的部分。首先在SOPC Builder中完成系统软核的搭建，随后由 Quartus II 建立系统顶层模块，井编译生成系统，软件部分在 NIOS IIIDE 中开发，编程实现设备驱动、图像读取、简化 SURF 算法以及特征线段的计算。
3.1 硬件组成
首先根据系统需要选择台适的 NIOS II CPU 类型以及配套相关外设，SOPC Builder会自动将这些组件连接到 Avalon 总线上，随后对系统进行地址和中断号的分配，即可生成SOPC 软核。本系统中的 CPU 代表 NIOS II 处理器，频率为 120MHz，为提高高系统性能，选择了快速型（NIOS II/f）NIOS II 处理器。选择了速度较快的 SRAM 和一片 32Kbyte 的片上存储器，用来来提高系统速度。另外，还在系统中添加了 Avalon 流水桥，使部分设备通过流水桥与NIOS II进行通信。形成流水线，提高了系统的最大时钟频率。在SOPC Builder中生成软核之后，使用 Quartus II 建立系统的顶层模块，并进行编译，生成系统的硬件平台。
3.2 软件设计
首先编程实现驱动外部 SD 卡，读取存储在其中的图像文件；随后，利用简化的 SURF算法提取图像中的特征点。并建立描述子，完成图像匹配。本系统所用 SURF 算法主要在两方面进行了简化：（1）图像金字塔的层数。由于本系统的同的是求取特征线段的长度，因此只需要少量的特征点即可，故系统所建立的图像金字塔仅有 3 层，以减少建立图像金字塔所用的时间。（2）简化特征点描述子。描述子的建立方法是借鉴文献中的方法，并没有使用原 SURF 中的方法。使用建立过程较为简单的方法虽然提供的信息没有原算法多，但却可以提高系统的处理速度。
4 系统优化
为了更好地利用FPGA 资源，改善系统运行速度的，对系统进行了软件和硬件方面的优化。
4.1 硬件优化
硬件优化主要在以下几方面：（1）NIOS II 处理器类型的选择。快速型处理器内核具有较高的性能，可以实现较快的处理速度。（2）添加浮点自定义指令。SURF 算法中有大量的浮点数计算，通过添加浮点自定义指令可以加快浮点数的计算速度，减少系统处理时间。（3）Quartus II 的编译选项。在Quartus II的编译选项中通过编译选项，选择对速度进行优化，改善系统性能。
4.2 软件优化
软件优化主要在以下 4 个方面：（1）算法优化。使用了简化的 SURF 算法，降低了算法的复杂度和运算量。（2）优化工程大小。NIOS II 工程的运行速度与工程大小有直接关系。（3）程序运行内存的选择。系统 RAM使用了速度较快的 SRAM，并使用 SOPC 系统中配置的片上存储器来存放可读写的数据以及栈内存，提高了数据读取的速度，从而提高了系统的性能。（4）编译器优化。在NIOS II IDE 的优化选项中，选择了最高级别的优化选项 Optimize(-03)，测试表明使用该级别的优化选项的运行速度确实是最快的。
5 结论
本文开发了一种基于 FPGA 的目标图像距离特征提取系统。该系统可以实现图像读取、SURF 特征点提取、特征点描述子的建立以及特征线段的计算，属于 DSP+FPGA 目标被动定位系统中的FPGA 图像处理平台部分。
参考文献
[1]刘中合,王瑞雪,王锋德等.数字图像处理技术现状与展望[J].计算机时代 ,2005,9:6-8.
作者单位
中州大学 河南省郑州市 450044
85597153
