基于FPGA的视频图像旋转硬件加速器的设计与实现.pdf

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1、100传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2010年第29卷第10期基于FPGA的视频图像旋转硬件加速器的设计与实现徐飞，肖铁军，华纯，秦立红(江苏大学计算机科学与通信工程学院。江苏镇江212013)摘要：设计了一种基于FPGA的视频图像旋转系统。在Nios环境下利用图像旋转矩阵对像素坐标进行旋转变换，再使用双线性插值算法对像素值进行插值运算。为了解决图像数据量大、软件计算速度慢的问题，系统采用了CORDIC算法对旋转矩阵中的三角函数计算进行硬件加速实现，并以自定义指令的方式将该模块导人Nios

2、IICPU核的ALu上。结果表明：采用此方法大大提高了旋转速度，提升了系统的性能。关键词：现场可编程门阵列；旋转矩阵；CORDIC算法；Nios软核；硬件加速中图分类号：TP391．41文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)10-0100--03DesignandimplementationofvideoimagerotatinghardwareacceleratorbasedonFPGAXUFei，XIAOTie-jun，HUAChun，QINLi—hong(SchoolofComputerScienceandTelecommun

3、icationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)Abstract：AvideoimagerotationsystembasedonFPGAwasdesigned．UsingimagerotationmatrixcomputingandbilinearinterpolationtoimplementvideoimagerotationintheNiosenvironment．Inordertoimprovethespeedofsystem，CORDICalgorithm，which

4、replacesthetrigonometricfunctioncomputinginrotationmatrixwasusedtorealizehardwareaccelerationandimportthismoduletotheALUoftheNioscoreincustominstruction．Experimentresultsshowthatthismethodhighlyimprovesthespeedandperformanceofthissystem．Keywords：FPGA；rotationmatrix；CORDICalgor

5、ithm；Niossoft—core；hardwareacceleration0引言旋转后的图像数据后将其写回SDRAM中，最后通过LCD在数字图像处理技术中，图像旋转是一种常用的处理控制器将数据在LCD显示屏上显示。技术，目前已广泛应用于军事、医学、航空等各个领域。传统的图像旋转是通过调用数学函数库里的三角函数计算的方式来实现二维旋转矩阵的计算的⋯，而在基于现场可编程门阵列(FPGA)的嵌入式NiosII软核处理器上，软件的三角函数库调用和计算是系统快速处理的瓶颈之一。因此，本系统采用VerilogHDL硬件描述语言设计实现对图像图1图像旋转系统

6、总体结构图旋转的硬件加速，并通过自定义指令的方式与NiosII处理Fig1Architectureofimagerotatingsystem器连接；同时，为了保证图像旋转后的质量，采用了双线性2系统模块的设计插值算法对图像进行插值运算，实现系统的软硬件协同设2．1图像旋转矩阵计。图像旋转的像素坐标变换可通过图像旋转矩阵进行计算，常用的图像旋转矩阵的公式如式(1)1系统总体框架概述图1为该系统的总体结构框图，系统主要包括图像数cos0一sin0、R(0)=II，(1)据存储控制模块，CORDIC硬件加速模块，显示控制模块。sin0c0sJ．系统硬件部

7、分对采集到的视频数据经过帧缓存写控制器存式中0为图像旋转的角度。设(，Y)为源图像坐标点，储到SDRAM中，CORDIC模块计算出旋转角度的sin和COS(，Y)为旋转后的图像坐标点，则[，Y=(0)·[，的值，系统软件部分通过图像旋转矩阵、双线性插值计算出Y]To注意到，和y的值并非整数值，因此，需要对旋转后收稿日期：2010_o3．o4第1O期徐飞，等：基于FPGA的视频图像旋转硬件加速器的设计与实现101的像素点进行插值运算，这样才能得到比较好的旋转效果。1I旋转矩阵中涉及到三角函数计算，本文运用硬件加速的方I法来实现三角函数值的计算。2．2

8、旋转模式下CORDIC加速器设计(I坐标旋转计算(coordinaterotationdigitalcomputing，I