基于FPGA的视频图像旋转的设计与实现

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1、江苏大学硕士学位论文基于FPGA的视频图像旋转的设计与实现姓名：徐飞申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：肖铁军20100611江苏大学硕士学位论文摘要在嵌入式实时图像处理应用中，图像旋转广泛地应用于社会生产生活的各个领域，它是很多图像预处理、检测的重要前提。在当今工业应用中，人们要求图像处理系统趋向小型化的同时，对系统的实时性也提出了更高的要求。近年来，随着大规模集成电路的发展，可编程逻辑器件FPGA的内部资源越来越丰富，功能也越来越强大，因此FPGA在当前的嵌入式实时系统中得到广泛应用，同时FPGA凭借其强大的并行处理数

2、据的能力和基于SOPC系统的灵活性在图像处理领域有着很大的优势。图像处理的特点是处理的数据量大，处理耗时，特别是基于嵌入式软核的软件处理速度更是实时系统的一个瓶颈。鉴于此，本文完成了视频图像旋转的FPGA设计与实现。本文采用基于SOPC系统的软硬件协同设计的思想进行设计，系统包括视频采集模块、视频数据存储模块、视频图像旋转及其硬件加速模块、视频显示模块。对视频图像旋转的FPGA架构进行总体设计，SOPC系统的构建，采用CORDIC算法对旋转矩阵中的正余弦计算进行硬件加速。软件部分包括图像旋转坐标变换和双线性插值算法实现图像旋转。模块之

3、间通过Avalon总线协同工作。本文设计并实现了15级流水线的优化CORDIC!]11速器对旋转矩阵中的正余弦计算进行了硬件加速。CORDIC算法模块经过一定的时钟周期就会连续得到输入角度的正余弦结果，利用NiosII的多周期自定义指令来实现它与NiosIIALU的连接，实现了CORDIC力[I速器。通过对CORDIC算法的局限进行了优化的FPGA设计，对旋转周期的扩展，反J下切函数表存储的优化和模校正因子的简化，在不改变算法精度的前提下，减少了ROM存储单元的使用，扩展了旋转的周期。最后给出了系统的实验结果，对使用优化的加速器加速之

4、后和加速之前的性能进行比较，系统性能提高了大约26倍，系统得到了加速，提高了系统的实时性，同时还有大量的硬件和存储资源用于其它的设计和应用。本文的特色在于充分利用SOPC的设计思想和软件的硬件加速思想，将设计的各个模块集成在一块单FPGA处理芯片上，相比于FPGA+MCU的实现方法，较大的节省了系统的资源和丌销。此系统参加了2009Altera亚洲创新设计大赛，获得优胜奖。关键词：FPGA，SOPC，图像旋转，硬件加速，Avalon，自定义指令江苏大学硕士学位论文ABSTRACTInembeddedreal—timeprocessin

5、gapplications，imagerotationiswidelyusedinvariousfieldsofsocialproductionandlife，itisanimportantprerequisiteofimagepreprocessinganddetection．Whiletheimageprocessingsystemisrequiredsmaller,itsreal-timeperformanceisputforwardhigherintoday’Sindustrialapplications．Inrecentye

6、ars，withthedevelopmentoflargescaleintegratedcircuits,programmablelogicdeviceFPGA'sinternalresourceshavebecomeincreasinglydiverse，morerobustfunctionality．Thus，FPGAhasbeenwidelyusedinthecurrentembeddedreal—timesystem．Meanwhile，FPGAhasagreatadvantageofitspowerfuldataproces

7、singwithparallelandflexibilityofthesystembasedonSOPCinthefieldofimageprocessing．Imageprocessingischaracterizedbylargeamountofdataprocessing，handlingtime—consuming，especiallysoftwarebasedonembeddedsoft—coreprocessingwhosespeedisabottleneckinreal—timesystems．Fromthispoint

8、ofview,thispapercompletedthedesignandimplementationofvideoimagerotationbasedonFPGA．Inthispaper,hardwareandsoft