实时图像旋转系统的分析与fpga实现

《实时图像旋转系统的分析与fpga实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文它作为半定制电路出现，即解决了定制电路的不足，又克服了原可编程器件资源有限的[6]缺点。目前,FPGA已经从2004年的90nmFPGA发展到现在的28nmFPGA，这意味这更高的密度、更好的性能以及更低的功耗。再通过内嵌块存储器、DSP运算单元甚至ARM内核等方式，极大地方便了基于FPGA的数字信号处理系统的开发。基于FPGA的数字图像处理系统具有高性能、灵活性、方便更新以及低成本的优点。FPGA平台的数字图像处理系统的设计方法与其它平台的有很大的不同。大规模的逻辑单元使得可以在一片FPGA上实现多样的视频采集、显示接口以及复杂的处

2、理要求；可编程特性让体系结构可以自由更新，以满足不断发展的要求；运算的并行性更容易满足实时图像处理大数据量以及实时性的特性。鉴于此，本文对基于FPGA的实时图像处理系统展开研究，设计FPGA平台的图像处理系统，并实现实时图像旋转的功能。1.2国内外研究现状[1]科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％来自于视觉系统。早期的数字图像处理技术出现的主要目的是为了改善图像采集设备的成像质量，以方便人类获取信息。20世纪60年代初期，美国喷气推进实验室首次成功应用数字图像处理技术对太空船返回月球图片信息进行处理。随着计算机技术、多媒体技术以及人工智能技术的

3、不断向前发展，数字图像处理技术受到了前所未有的广泛重视，并获得了尤为突出的进步。数字图像处理技术已经走出了实验室，走入到更为广阔的应用领域中，包括工业领[7]域、航空航天领域、生物医疗领域、安防领域，甚至走入了我们的日常生活。对实时图像旋转系统的研究，重点在于图像旋转算法以及系统体系结构。国外对图像旋转算法的研究可追溯至20世纪80年代。1980年Catmull和Smith在[8]硬件上用两步法实现了图像旋转，但是第一步变换中，丢失图像中的高频部分，图像质量下降明显。Paeth和Tanaka在1986年提出了三步实现的办法，只需通过三次平移就可以完成图像旋转

4、处理，便于硬件实现，但是图像质量未得到很好的改善。1996年，[9]Kiern提出用快速傅里叶变换实现图像旋转的方法，不同于直接法、两步法或三步法在完成坐标变换后需要进行图像插值，该方法将坐标变换与图像插值合二为一，但是计算量庞大，不利于硬件。近几年，国内对在不同的系统体系结构中满足图像旋转算法的实时性要求以及提高目标图像质量上展开了研究，并取得了众多成果。[10]2007年，浙江工业大学信息学院研究了基于GPU的图像快速旋转算法的实现。2华中科技大学硕士学位论文基于计算机的图像处理平台，因为CPU任务繁重，通常需要设计人员对算法或者代码进行优化，即“软加速

5、”。即便如此，通常在面对实时图像或者复杂处理时，CPU的处理能力仍然显得力不从心，通常作为非实时图像处理平台和图像管理工作站平台。后来为了提高计算机的图像处理能力，在计算机中引入GPU协同CPU工作。CPU运算非常复杂的序列代码，而GPU则运行大规模并行处理程序，实时图像处理能力有了很大提高，但如何让CPU与GPU能够更好地配合以最大地提高工作效率仍然是处理器厂商考虑的问题。西北工业大学和中国航空无线电电子研究所联合对基于DSP的像旋转算法数据调[11]度策略进行深入的研究。在实时图像处理中，DSP仍有它的瓶颈。实时图像要求每秒输出数十张的画面，通常为24~

6、30。实时图像处理的数据量非常大，因此它既要求DSP有高速的数据处理能力，也需要能快速的传输数据。DSP芯片片内的存储空间相当有限，必须通过外扩存储器的办法来缓存待处理的数据，这样必然会增加DSP读取数据的时间，同时也削弱了DSP高速运算能力。而且，DSP只有一个CPU进行运算，如果需要对图像进行模板操作，将会非常的耗费资源并且难于保证实时性。如果需要对图像进行模板操作，将会非常的耗费资源并且难于保证实时性。当然，有设计人员提出了采用DSP阵列的方法来实现并行算法，提高运算能力、改善实时性。国外学者ohitS．WhtVe等人研究了采用多DSP作为处理单元，对

7、旋转算法和多种插值算法进行了对比研究。在超大规模集成电路（VLSI）的今天，支持多种接受标准和编解码格式的专业图像处理芯片层出不穷，占据着很大的市场份额。虽然它们芯片尺寸小、功能强、功耗低，但其设计复杂，有批量要求，其中两步平移、三步平移方法适合硬件实现，已经有相应的VLSI结构提出。2009年，华中科技大学图像所设计了三步平移双三次插值算法的流水线图像旋转ASIC架构，但是该架构只能实现-45度到45度间的旋转，而且最大只支持690X512大小图像。随着FPGA技术的发展，FPGA已经对专业图像处理芯片构成很大的威胁。过去，FPGA通常被用做协处理器。随着

8、生产规模的提高，产品应用成本的下降，FPGA常被用于