基于fpga的高速图像处理算法研究与系统实现

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1、华中科技大学博士学位论文摘要图像处理依然面临着许多挑战性的问题，其中最主要的问题就是图像处理的网络化、复杂问题的求解与处理速度的高速化，基于FPGA的高速图像处理系统成为解决这些问题的主要手段。本文对基于FPGA的高速图像处理系统的关键技术进行了研究，并在此基础上实现了基于FPGA的高速高清医学影像处理平台和基于FPGA的印刷检测平台。本文提出了同步流水线比较适合于基于FPGA的高速图像处理的设计观念；给出了基于流水线的图像处理算法模块的时序约束公式；根据FPGA的结构特点，提出了基于FPGA的同步流水线的优化方法，有效地提高了基于FPGA的同步流水线的性能。提出了一种基于缓冲

2、移位的时分复用算法，用来解决FPGA中共享资源的时分复用的问题。在该算法中，分析了复用者需求移位与缓冲存储资源之间的关系，方便了缓冲存储资源的分配；建立了复用者需求函数模型，并分析了移位对需求函数的影响；提出了基于单位时间段的共享资源分配方法，便于时分复用调度机制的实施；提出了基于复用者需求分布统计曲线图的移位方法，简洁方便的完成复用者需求的移位；提出了基于状态机的调度机制，分析了两类复用者在轮转间隙上的差别，避免了单位时间段的错误计算；设计了缓冲移位算法的实现电路，讨论了扇入扇出现象，并给出解决方案。提出了基于最大逼近角的并行CORDIC算法，用来解决图像算法中的超越函数在F

3、PGA中实现的问题，该算法迭代速度优势明显；提出了两次采用BBR方法和MAR算法对角度分部进行转化的方法，解决基于最大逼近角的并行CORDIC算法带来的比例系数计算和存储的问题，节约了存储单元的使用，同时也加快了迭代速度；给出了上述优化后并行CORDIC算法的硬件实现方式，特别是结构中加法器的实现方式。提出了使用图像配准间接测量印刷品速度的方法，解决了弱检测环境下的印刷品的速度测量的问题；提出了将基于神经网络的PID控制器用于线阵相机的驱动，解决了弱检测环境下线阵相机驱动的问题；给出了基于时序约束的基于FPGA的神经网络的实现方式。基于上述理论成果，针对企业需求，成功开发出具有

4、自主知识产权的基于FPGA的高速高清医学影像平台和基于FPGA的印刷品检测平台，平台已经成功应用于生产实际，取得了良好的经济和社会效益。关键词：FPGA高速图像处理流水线缓冲移位最大逼近角神经网络I华中科技大学博士学位论文AbstractImageprocessingisstillfacingmanychallengesfeaturingnetworkingofimageprocessing,solvingofcomplexproblemsandhighrequirementsonprocessingspeed.High-speedimageprocessingsystemsb

5、asedonfieldprogrammablegatearrays(FPGA)aretheprimarymeanstoriseabovethesechallenges.ThispaperresearchedthekeytechnologiesofFPGA-basedhigh-speedimageprocessingsystems.AFPGA-basedhigh-speedhigh-definitionmedicalimageprocessingplatformandaFPGA-basedpressworkdetectingplatformwereimplemented.Firs

6、tly,thedesignprincipleispresentedthatsynchronouspipelinesaresuitedforFPGA-basedhigh-speedimageprocessing;thetimingconstraintformulasforalgorithmmodulesofpipeline-basedimageprocessingaregiven;amethodisproposedtooptimizeFPGA-basedpipelinesinaccordancewiththestructuralcharacteristicsofFPGAs.The

7、optimizationmethodproposedcanenhancetheperformanceofsynchronouspipelineseffectively.Secondly,thispaperalsopresentsatimedivisionmultiplexing(TDM)methodbasedonbuffer-shiftalgorithmstorealizetheTDMofsharedresourcesinFPGAs.Inthismethod,therelationshipb