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基于FPGA图像处理系统的关键算法研究及硬件实现

张海青  
【摘要】: 图像处理系统正向着高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。鉴于软件处理系统在速度和实时性上的不足,用硬件来实现图像处理算法正逐渐成为研究热点。可编程逻辑门阵列(FPGA)是当今运用极其广泛的可编程逻辑器件,能在设计上实现硬件并行和流水线处理技术,并且具有速度快、可移植性强的优势,非常适合算法简单而数据量大的图像前期预处理。 国内外都已针对FPGA图像处理系统展开广泛的研究,但国内在FPGA彩色图像的实时处理、后期图像处理算法的硬件实现以及处理算法的优化等问题上与国外存在较大差距。在这样的背景下,本文工作首先对彩色图像实时预处理算法进行研究和改进,设计出适于FPGA硬件实现的图像处理算法;然后通过系统接口控制和资源分配技术,在基于CYCLONEII FPGA的硬件图像处理平台上予以实现;最后通过信号流程设计与接口控制,将图像处理模块嵌入到图像采集和处理整体系统中,实现了对彩色视频图像的实时采集、存储、处理及显示。 论文的第一章通过参考国内外相关文献,选择适宜于在硬件上实现的图像预处理算法,并确定图像处理系统的整体设计方案。 论文的第二章介绍了MATLAB 7.0和QUARTUSII 9.0两种开发工具。详细介绍了在MATLAB 7.0软件环境下开发图像处理算法和进行功能仿真的过程;FPGA图像处理系统的开发流程和设计方法,主要包括对FPGA开发环境QUARTUSII和开发语言VERILOG HDL的详细介绍。 论文的第三章和第四章重点研究了最常用的两种图像预处理方法:图像平滑和图像锐化。详细分析和研究了常用图像预处理空域处理算法,对中值滤波算法的几种实现方案进行了分析比较,提出将滤波窗口进行横向拓展的创新性改进,提高了中值滤波算法的执行速度。分别将中值滤波、拉普拉斯滤波等典型的图像预处理算法在FPGA硬件上予以实现,实现了图像并行传输和流水线处理,最终设计生成图像处理模块。 论文的第五章研究了图像采集系统和图像处理模块的接口控制,将图像处理模块植入实时图像采集系统,对图像处理模块进行实时系统联调,并分析系统运行性能和功耗。 论文的第六章对本文的研究工作进行了总结,并展望了基于FPGA的图像处理系统的发展方向。


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