基于fpga的高速图像预处理的算法研究与实现

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1、硕士学位论文基于FPGA的高速图像预处理的算法研究与实现RESEARCHANDREALIZATIONOFHIGHSPEEDIMAGEPREPROCESSINGALGORITHMSBASEDONFPGA周尧波2009年6月哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的商业卫星IKONOS，星载数据处理速度为1265Mbit/s，信道传输速率为320Mbit/s；我国1999年发射的“资源一号”遥感卫星的空间分辨率为19.5m，下传数据速率为2×53Mbit/s；改进型“资源一号”的空间分辨率己达5m210Mbit/s[3~5]。，原始数据速率为在医学领域，在最近的20多

2、年时间里，医学影像技术得到了迅速的发展。X-CT、核共振成像、超声成像、数字射线照相术、发射型计算机成像以及核素成像相继出现。这些技术的形成和发展正是建立在特定的医学图像处理技术上的。医学图像处理中包括了图像分割、图像配准与融合、伪彩色处理技术以及纹理分析等[6]。在工业领域，基于图像处理技术的机器自动检测技术最近十几年也得到了迅速的发展。例如利用计算机视觉系统对现代化生产流水线进行动态监视、自动检测产品质量。如天津纺织工学院用2048位线阵列CCD全固化摄像机计算机视觉系统对动态布面进行在线检测，当布面上有一点庛点时装置能够在布边上打印出供修布用的标志

3、[7~9]。1.3数字图像处理的方案分析数字图像处理一般是在通用计算机上利用软件的方法实现的，利用软件的方法进行数字图像处理既简便又方便用户修改，因此应用十分广泛[10,11]。在一些实时性要求很高或者体积有限制的系统中，使用通用计算机的方法就不合适了，需要使用另外的一些方法。常见的处理方式有：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)。（1）专用集成电路专用集成电路是一种全定制的硬件芯片。专用集成电路具有高速度、低功耗、省面积等优点，采用专用集成电路往往能获得良好的性能。但是它的一些缺点制约了它的发展：其设计生产周

4、期一般都比较长，而且它流片后就不能再对其进行修改，因此专用集成电路大多被应用在一些已经研究成型并且需求量比较大的场合中。（2）数字信号处理器数字信号处理器是一种专用于实现各种数字信号处理算法的芯片，它采用哈佛结构和改进的哈佛结构、流水线技术，采用硬件乘法器，具有低功耗、高速度、高集成度等优点，在通信、语音处理、图像处理等领域有着广泛的应用。虽然DSP对一些固定算法如卷积、FFT等提供了硬件优化，但由于其本-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文身的性能及程序指令顺序执行的限制，DSP难以对高速图像数据进行大规模的实时处理[12~14]。（3）现场可编程门阵列

5、FPGA具有一般的ASIC高集成度、高可靠性的特点，而且相对于ASIC，FPGA还具有开发周期短、可重复配置、使用灵活的特点，随着FPGA芯片的集成度的不断提高以及价格的下降，FPGA得到了越来越广泛的应用。在图像处理方面，FPGA很适合进行数据量庞大且具有一定的并行性的算法，以提高处理的效率[15~18]。FPGA内部含有大量逻辑单元，方便设计者快速实现一些算法比较简单而数据量繁多的运算。FPGA在使用时可通过外加PROM保存相应的程序。上电时，PROM中的数据读入到FPGA的片内RAM中，随后FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA内部的逻辑关系也随之

6、消失。当用户要改变FPGA的部分功能时，只需对PROM重新下载编程数据即可。因此，由于FPGA的硬件功能完善而开发又非常灵活，非常方便用户进行系统的开发和完善，特别适合产品的前期研究和开发工作。数字图像处理的相关算法按照其处理的数据量以及算法的复杂程度大致可分为低级图像处理、中级图像处理、高级图像处理三种不同的层次。其中，低级图像处理一般是像素级的操作，通常面对的是大量的处理数据，但是其处理的算法比较简单，具有一定的并行性，因此很适合FPGA来实现；而在图像理解、图像分析等高层次图像处理中，其算法一般比较复杂，这时DSP比FPGA更能胜任[19~21]。

7、因此，对高速图像处理进行相应的处理时，可以先用FPGA对图像做相应的预处理，然后把预处理获得的结果交给DSP做后续处理，这样能够发挥FPGA和DSP各自的优势，从而提高数字图像处理系统整体的处理效率，并且这种设计体积小、结构灵活，能够满足一些对体积要求严格的应用场合的需要，并便于用户根据需要对其进行相应的维护和更新。19.5FPGA的发展与开发1.3FPGA的发展EDA技术是指以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学等众多学科的科技成果而研制出商品化的-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文EDA通用支持软件，以帮助电

8、子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试、PCB设