一种基于FPGA的全帧率图像处理方法

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1、第４３卷第６期航空计算技术Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．６２０１３年１１月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＮｏｖ．２０１３一种基于ＦＰＧＡ的全帧率图像处理方法王闯，贺莹，余云，王海鹏，刘硕（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安７１００６８）摘要：针对图像算法在ＦＰＧＡ内的硬件化实现问题，提出了一种全帧率处理的思路，并提供了两种具体的可供参考的设计方法———基于像素流缓冲的卷积核处理技术和基于相邻图像帧相关性的图像参数提取技术。通过其可以方便地设计并实现大部分空间域图像处理算法及其任意组合的硬件逻辑电路，并达到与图像输入帧率相同的处理速度。以Ｃａｎｎｙ算子的

2、硬件化实现为例验证了设计理念。实验结果表明，全帧率图像方法具有可操作性强、实时性好、符合结构化模块化设计的特点，特别适合于对实时性要求高的嵌入式视觉系统。关键词：现场可编程门阵列；全帧率图像处理；模块化设计；图像卷积处理；Ｃａｎｎｙ算子中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１３）０６桘０１１２桘０６AMethodofProcessingFull桘FrameRateImageBasedonFPGAＷＡＮＧＣｈｕａｎｇ，ＨＥＹｉｎｇ，ＹＵＹｕｎ，ＷＡＮＧＨａｉ桘ｐｅｎｇ，ＬＩＵＳｈｕｏ（Xi′anAeronauticsComputingTechni

3、queResearchInstitute，AVIC，Xi′an７１００６８，China）Abstract：ＦｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｎＦＰＧＡ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｃｏｎｃｅｐｔｏｆｆｕｌｌｆｒａｍｅｒａｔｅｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｗｏｓｐｅｃｉｆｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｓｄｅｓｉｇｎｇｕｉｄｅｌｉｎｅ，ｔｈａｔｉｓｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｐｉｘｅｌｓｔｒｅａｍｂｕｆｆｅｒｉｎｇａｎｄｆｅａｔｕｒｅｐａｒａ

4、ｍｅｔｅｒｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏ-ｇｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｃｅｏｆａｄｊａｃｅｎｔｆｒａｍｅｓ，ｂｙｗｈｉｃｈｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｌｏｇｉｃｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆｍｏｓｔｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｄｏｍａｉｎｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｔｈｅｉｒｒａｎｄｏｍｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃａｎｂｅｅａｓｉｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎ-ｔｅｄｉｎＦＰＧＡａｎｄａｃｈｉｅｖｅｕｐｔｏｔｈｅｓｐｅｅｄｉｎａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｐｕｔｆｒａｍｅｓｒａｔｅ．Ｆｏｒｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ

5、ｏｆＣａｎｎｙｏｐｅｒａｔｏｒｉｓｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｕｌｌ桘ｆｒａｍｅｒａｔｅｉｍａｇｅｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｅｔｏｂｅｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅａｎｄｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｏｒｉｔｓｈｉｇｈｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｍｏｄｕｌａｒ-ｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ｍａｋｉｎｇｉｔｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｒｅａｌ桘ｔｉｍｅｅｍｂｅｄｄｅｄｖｉｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Keywords：ｆｉｅｌｄ桘ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ；ｆｕｌ

6、ｌ桘ｆｒａｍｅｒａｔｅｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ；ｉｍ-ａｇｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｃａｎｎｙｏｐｅｒａｔｏｒ引言而没有统一的可供参考的设计准则；而且，现有的研究往往在算法层面上研究其实现，并没有或者很少在系图像处理技术在众多领域中有着广泛应用，但是统层面上分析图像的各个步骤处理对应的硬件逻辑电图像信号维数高，对其处理所需要的计算复杂度高。路之间的空间关系和内在联系，以及原始输入像素流因此，在一些对系统实时性要求苛刻的嵌入式应用场在整个逻辑电路中的流动情况和合理处理顺序。合，图像的处理速度往往成为影响系统精度

7、和实用性为了克服这些不足，本文引入了一种基于ＦＰＧＡ的瓶颈。现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）具有现场可的全帧率图像处理的概念并描述了其处理过程，提出编程性与可重构性，具有较强的并行处理能力。用了两种可行的可供参考的设计技术———基于像素流缓ＦＰＧＡ作为核心的图像处理系统，其图像处理的速度、冲的卷积核处理技术和基于相邻图像帧相关性的图像处理方式的灵活性和对不同图像算法的适应性都可以［１－２］参数提取技术。采用该技术，可方便实现对大部分空大大得到提高。间域图像处理算法及其任意组合的硬件化实现，同时但是，在实