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近年来,随着智能设备、安防监控等领域的快速发展,图像处理设备正朝着小型化、智能化、多样化的形式转变,图像数据具有更高帧率,高分辨率以及高动态范围等特点。传统的处理设备体积较大、可扩展性差、处理速度较慢,难以满足如今图像数据处理的需要。针对图像处理技术中的上述问题,本论文基于FPGA设计了一套小型化实时图像采集处理设备。该设备采用分离式硬件设计,整体结构包括三个功能独立的模块,体积小巧且拓展性优异。此外该设备以FPGA为计算核心,实现了使用图像预处理算法流水线对采集图像的实时增强。本文的主要工作内容如下:(1)图像预处理算法流水线设计针对使用单一算法处理传感器输出图像时所面临的局限性等问题,本文提出了一个包含去噪、去马赛克、自动白平衡、细节增强以及自动曝光等多种预处理算法的图像处理流水线。通过多算法的连续处理实现了对采集图像的有效增强。本文同时对部分流水线节点中使用的算法进行改进。在对梯度插值去马赛克算法的研究中,本文改进了图像方向导数的求解方式以及红蓝信息的插值方法,改善了图像边界的恢复质量,提升了算法的鲁棒性;在对自动曝光算法的研究中,本文提出了一种基于亮度均值和亮度直方图的自动曝光算法,优化了曝光参数调整判断的方式,达到了工程使用标准。此外,本文改进了去噪算法和细节增强算法中的滤波模板结构,提升了算法的运行速度。(2)分离式结构的小型化图像采集处理系统硬件设计针对设备小型化,功能可拓展的设计需求,本文提出了可分离式的硬件设计方案。依据方案规划,整个系统硬件由三个功能独立且尺寸相同的电路板构成,包括基于CMOS传感器的图像采集输入电路,基于FPGA的图像处理电路以及通过HDMI显示的视频图像输出电路。最终整个系统横截面尺寸为42mm×40mm,达到了小型化的设计需求。此外,使用这种分离式结构的硬件系统,当设计需求发生变更时,只需对相应功能电路进行替换调整而无需进行整体设计,体现了该系统灵活的拓展性能。(3)基于FPGA的小型化图像采集处理系统的功能实现针对本系统对运算速度的要求,本文使用具有高度并行计算能力的FPGA实现系统的采集、处理和输出三部分功能。采集输入功能完成了对CMOS图像传感器的配置和对高速LVDS图像信号的接收工作。算法处理功能实现了图像处理流水线,完成了使用AXI4-Stream总线对图像数据流的管理,完成了基于AXI4总线的多端口访存结构以及访存管理单元。视频输出功能实现了处理后的图像以1080p分辨率60Hz帧率的标准格式输出。基于可分离的模块化结构,本文自主研发以FPGA为核心的小型化图像采集和预处理系统最终实现了对传感器输入图像的采集和增强。该设备可应用于机器视觉、智能工业、军事科技等多个领域,具有比较重要的工程实践意义。