随着电子技术和计算机技术的飞速发展，视频图像处理技术近年来得到极大的重视和长足的发展，其应用范围主要包括数字广播、消费类电子、视频监控、医学成像及文档影像处理等领域。当前视频图像处理主要问题是当处理的数据量很大时，处理速度慢，执行效率低。而且视频算法的软件和硬件仿真和验证的灵活性低。 本论文首先根据视频信号的处理过程和典型视频图像处理系统的构成提出了基于FPGA的视频图像处理系统总体框图；其次选择视频转换芯片SAA7113，完成视频图像采集模块的设计，主要分三步完成：1)配置视频转换芯片的工作模式，完成视频转化芯片SAA7113的初始化：2)通过分析输出数据流的格式标准，来识别奇偶场信号、场消隐信号和有效行数据的开始和结束信号三种控制信号，并根据控制信号，用Verilog硬件描述语言编程实现图像数据的采集；3)分析SRAM的读写控制时序，采用两块SRAM完成图像数据的存储。然后编写软件测试文件，在ISE Simulator仿真环境进行程序测试与运行，并分析仿真结果，验证了数据采集和存储的正确性；最后，对常用视频图像算法的MATLAB仿真，选择适当的算子，采用工具MATLAB、System Generator for DSP和ISE，利用模块构建方式，搭建视频算法平台，实现图像平滑滤波、锐化滤波算法，在Simulink中仿真并自动生成硬件描述语言和网表，对资源的消耗做简要分析。 本论文的创新点是采用新的开发环境System Generator for DSP实现视频图像算法。这种开发视频图像算法的方式灵活性强、设计周期短、验证方便、是视频图像处理发展的必然趋势。
上传时间： 2013-05-20
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视频监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛用于在电视台、银行、商场等场合。在视频图像监控系统中，经常需要对多路视频信号进行实时监控，如果每一路视频信号都占用一个监视器屏幕，则会大大增加系统成本。视频图像画面分割器主要功能是完成多路视频信号合成一路在监视器显示，是视频监控系统的核心部分。 传统的基于分立数字逻辑电路甚至DSP芯片设计的画面分割器的体积较大且成本较高。为此，本文介绍了一种基于FPGA技术的视频图像画面分割器的设计与实现。 本文对视频图像画面分割技术进行了分析，完成了基于ITU-RBT.656视频数据格式的画面分割方法设计；系统采用Xilinx公司的FPGA作为核心控制器，设计了视频图像画面分割器的硬件电路，该电路在FPGA中，将数字电路集成在一起，电路结构简洁，具有较好的稳定性和灵活性；在硬件电路平台基础上，以四路视频图像分割为例，完成了I2C总线接口模块，异步FIFO模块，有效视频图像数据提取模块，图像存储控制模块和图像合成模块的设计，首先，由摄像头采集四路模拟视频信号，经视频解码芯片转换为数字视频图像信号后送入异步FIFO缓冲。然后，根据画面分割需要进行视频图像数据抽取，并将抽取的视频图像数据按照一定的规则存储到图像存储器。最后，按照数字视频图像的数据格式，将四路视频图像合成一路编码输出，实现了四路视频图像分割的功能。从而验证了电路设计和分割方法的正确性。 本文通过由FPGA实现多路视频图像的采集、存储和合成等逻辑控制功能，I2C总线对两片视频解码器进行动态配置等方法，实现四路视频图像的轮流采集、存储和图像的合成，提高了系统集成度，并可根据系统需要修改设计和进一步扩展功能，同时提高了系统的灵活性。
上传时间： 2013-04-24
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随着计算机科学在人机交互领域的极大发展，作为人脸信息处理中的一项关键技术，人脸检测现在已经成为模式识别，计算机视觉和人机交互领域不可缺少的一部分。但是，人脸检测算法存在计算量大、速度慢等缺点。软件实现方式无法达到实时处理要求，而现有的硬件实现需要占用大量硬件资源。 本文针对现有人脸检测硬件实现的缺点，通过对Adaboost算法和现有硬件结构的分析，提出了双流水线硬件检测架构：扫描窗口流水线、特征向量流水线。并在Vertex-II Pro FPGA平台验证成功，达到实时检测的标准。具体工作和创新点包括如下几点： 介绍了人脸检测的原理以及人脸检测经典算法。其中，详细介绍了Adaboost算法。 对现有的结构进行详细分析。指出现有各架构的缺点，即资源占用多，检测速度慢。针对这两个问题，本文提出了一个适合嵌入式应用的扫描窗口、特征向量双流水线检测硬件架构，详细说明了该架构的工作原理，并在该架构基础上，通过加入预测加载技术，进一步提高检测速度。随后，采用存储器访问效率，架构内部存储单元大小，检测时间长短，运算单元数量四个标准，详细比较了新架构和现有架构的差别，显示出新架构的优势。 基于提出的架构，给出了Adaboost人脸检测系统的VLSI实现方案。本文中，采用自顶向下的设计方法将人脸检测系统分成若干个子模块，然后对每个子模块进行详细的设计和说明，给出了每个子模块的硬件架构、状态转换以及verilog实现后的仿真波形。 采用Xilinx公司的VII Pro FPGA开发板完成人脸检测系统的硬件验证。FPGA验证结果表明对于QCIF分辨率的视频图像，人脸检测系统能够达到50fps的检测速度，满足实时检测的要求。
上传时间： 2013-06-15
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人脸识别技术继指纹识别、虹膜识别以及声音识别等生物识别技术之后，以其独特的方便、经济及准确性而越来越受到世人的瞩目。作为人脸识别系统的重要环节—人脸检测，随着研究的深入和应用的扩大，在视频会议、图像检索、出入口控制以及智能人机交互等领域有着重要的应用前景，发展速度异常迅猛。 FPGA的制造技术不断发展，它的功能、应用和可靠性逐渐增加，在各个行业也显现出自身的优势。FPGA允许用户根据自己的需要来建立自己的模块，为用户的升级和改进留下广阔的空间。并且速度更高，密度也更大，其设计方法的灵活性降低了整个系统的开发成本，FPGA 设计成为电子自动化设计行业不可缺少的方法。 本文从人脸检测算法入手，总结基于FPGA上的嵌入式系统设计方法，使用IBM的Coreconnect挂接自定义模块技术。经过训练分类器、定点化、以及硬件加速等方法后，能够使人脸检测系统在基于Xilinx的Virtex II Pro开发板上平台上，达到实时的检测效果。本文工作和成果可以具体描述如下： 1. 算法分析：对于人脸检测算法，首先确保的是检测率的准确性程度。本文所采用的是基于Paul Viola和Michael J.Jones提出的一种基于Adaboost算法的人脸检测方法。算法中较多的是积分图的特征值计算，这便于进一步的硬件设计。同时对检测算法进行耗时分析确定运行速度的瓶颈。 2. 软硬件功能划分：这一步考虑市场可以提供的资源状况，又要考虑系统成本、开发时间等诸多因素。Xilinx公司提供的Virtex II Pro开发板，在上面有可以供利用的Power PC处理器、可扩展的存储器、I/O接口、总线及数据通道等，通过分析可以对算法进行细致的划分，实现需要加速的模块。 3. 定点化：在Adaboost算法中，需要进行大量的浮点计算。这里采用的方法是直接对数据位进行操作它提取指数和尾数，然后对尾数执行移位操作。 4. 改进检测用的级联分类器的训练，提出可以迅速提高分类能力、特征数量大大减小的一种训练方法。 5. 最后对系统的整体进行了验证。实验表明，在视频输入输出接入的同时，人脸检测能够达到17fps的检测速度，并且获得了很好的检测率以及较低的误检率。
上传时间： 2013-07-01
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本文研究的视频处理系统是上海市科委技术攻关基金项目“计算机视觉及其芯片化实现”的一部分，主要完成计算机视觉系统的一些基本工作，即视频图像的采集、预处理和显示等。 视频图像采集和预处理系统以Xilinx公司Virtex-ⅡPro系列的FPGA为核心控制器件，结合视频模数转换芯片和VGA显示器，完成视频图像的实时采集、预处理和显示。采集和显示部分作为同外界交流信息的渠道，是构成计算机视觉系统必不可少的一部分；图像预处理则是计算机视觉系统进行高层处理的基础，优秀的预处理算法能有效改善图像质量，提高系统分析判断的准确性。 本文在介绍基于FPGA的视频采集、预处理系统整体架构的基础上，围绕以下四个方面展开了工作： 1.研究并给出了两种基于FPGA的设计方案用于实现YCrCb色度空间到RGB色度空间的转换； 2.针对采集的视频图像，根据VGA显示的要求，给出了一种实现图像去隔行的方案； 3.分析了一系列图像滤波的预处理算法，如均值滤波、中值滤波和自适应滤波等，在比较和总结各算法特点的基础上，提出了一种新的适用于处理混合噪声的滤波算法：混合自适应滤波法； 4.根据算法特点设计了多种采用FPGA实现的图像滤波算法，并对硬件算法进行RTL级的功能仿真和验证，还给出了各种滤波算法的实验结果，在此基础上对各种算法的效果进行直观的比较。 文中，预处理算法的实现充分利用了FPGA的片内资源，体现了FPGA在图像处理方面的特点及优势。同时，视频采集和显示的控制模块也由同一FPGA芯片实现，从而简化了系统整体结构。视频采集和预处理系统在FPGA上的成功实现为“计算机视觉及其芯片化实现”奠定了必要的基础、提供了一定理论依据。
上传时间： 2013-07-26
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随着图像分辨率的越来越高，软件实现的图像处理无法满足实时性的需求；同时FPGA等可编程器件的快速发展使得硬件实现图像处理变得可行。如今基于FPGA的图像处理研究成为了国内外的一个热门领域。 本文在FPGA平台上，用Verilog HDL实现了一个研究图像处理算法的可重复配置的硬件模块架构，架构包括PC机预处理和通信软件，控制模块，计算单元，存储器模块和通信适配模块五个部分。其中的计算模块负责具体算法的实现，根据不同的图像处理算法可以独立实现。架构为计算模块实现了一个可添加、移出接口，不同的算法设计只要符合该接口就可以方便的加入到模块架构中来进行调试和运行。 在硬件架构的基础上本文实现了排序滤波，中值滤波，卷积运算及高斯滤波，形态学算子运算等经典的图像处理算法。讨论了FPGA的图像处理算法的设计方法及优化策略，通过性能分析，FPGA实现图像处理在时间上比软件处理有了很大的提高；通过结果的比较，发现FPGA的处理结果达到了软件处理几乎同等的效果水平。最后本文在实现较大图片处理和图像处理窗口的大小可配置性方面做了一定程度的讨论和改进，提高了算法的可用性，同时为进一步的研究提供了更加便利的平台。 整个设计都是在ISE8.2和ModelSim第三方仿真软件环境下开发的，在xilinx的Spartan-3E XC3S500E硬件平台上实现。在软件仿真过程中利用了ISE8.2自带仿真工具和ModelSim结合使用。 本课题为制造FPGA的专用图像处理芯片做了有益的探索性研究，为实现FPGA为核心处理芯片的实时图像处理系统有着积极的作用。
上传时间： 2013-07-29
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在当今的广播系统中，绝大部分的视频信号是隔行采样的。采用这种扫描格式，能够大幅度地减少视频的带宽，但也会引起彩色爬行、画面闪烁、边缘模糊及锯齿等现象。这种缺陷经人尺寸屏幕放大后就更加明显。为改善画面的视觉效果，去隔行技术应运而生。同时，视频信号本身的低帧频也会导致行抖动、线爬行以及大面积闪烁等视觉效果上的缺陷。增加扫描频率会把这些视觉缺陷搬移到人眼不敏感的高频区域上去从而产生较好的主观图象质量。而为了适应不同显示终端以及对图像大小变化的要求就必须对原始信号分辨率即每帧行数和每行像素数进行变换。因此去隔行、帧频转换、分辨率变换成为视频格式转换的基本内容。 FPGA 的出现是VLSI技术和EDA技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。另外采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。 该文在介绍了视频格式转换中的主要算法后，重点对去隔行、帧频转换、分辨率变换的FPGA综合实现方案进行了由简单到复杂的深入研究，分别给出了最简解决方案、基于非线性算法的解决方案和基于运动补偿的解决方案。最简解决方案利用线性算法将去隔行，帧频转换，分辨率变换三项处理同时实现，达到FPGA内部资源和外部RAM耗用量都为最小的要求，是后续复杂方案的基础。其中去隔行采用场合并方式，帧频转换采用帧重复方式，分辨率变换采用均匀插值方式。基于非线性算法的解决方案中加入了对静止区域的判断，静止区域的输出像素值直接选用相应位置的已存输入数据，非静止区域的输出像素值通过对已存输入数据进行非线性运算得出。基于运动补偿的解决方案在对静止区域进行判断和处理的基础上，对欲生成的变频后的场间插值帧进行运动估计，根据运动矢量得出非静止区域的输出像素值。其中为求得输入场间相应时间位置上的插值帧输出数据，该方案采用了自定义的前后向块匹配运动估计方式，通过对三步搜索算法的高效实现，将SAD 值进行比较得出运动矢量。
上传时间： 2013-07-19
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JPEG 2000是为适应不断发展的图像压缩应用而出现的新的静止图像压缩标准，小波变换是JEPG 2000核心算法之一。小波变换是一种可达到时(空)域或频率域局部化的时频域或空频域分析方法，其多尺度分解特性符合人类的视觉机制，更加适用于图像信息的处理。提升小波变换是一类不采用傅立叶变换做为主要分析工具的小波变换新方法，提升小波变换的提出大大简化了小波变换的计算，使其在实时信号处理领域得到广泛的应用。通过提升的方法很容易构造一般的整数小波变换，由于图像一般用位数较低的整数表示，整数小波变换可以将为整数序列的图像矩阵映射成整数小波系数矩阵，这就大大简化了小波变换的硬件电路设计。在当今数字化和信息化时代背景下，研究具有高速硬件处理功能的可变程逻辑器件在图像压缩算法领域的应用已经成为当今研究的热点。 本文旨在探讨和研制基于FPGA的小波变换模块的可能性和方法。本文采用Xilinx公司的Spartan-Ⅲ系列芯片，根据JPEG 2000推荐无损提升小波算法和有损提升小波算法，设计图像压缩系统的小波变换模块。主要工作如下： 第一部分介绍了传统小波分析理论和提升小波分析理论。包括连续小波时频局域性的特征，离散小波变换系数的意义，多分辨分析引出的构造小波基的系统方法和计算离散小波的快速算法等。重点放在介绍正交小波和双正交小波的构造方法，并介绍了数字图像在小波域的特点。讨论了提升小波变换的基本思想，讨论了用提升方法构造小波基以及传统小波变换的提升实现，讨论了整数小波变换。 第二部分介绍了FPGA结构及其设计流程。介绍了FPGA/CPLD器件的特征、发展趋势及FPGA/CPLD基本结构，然后重点介绍了本文用到的Xilinx公司Spartan-Ⅲ系列芯片的结构特点，以及Xilinx的FPGA开发软件ISE，最后介绍了硬件描述语言VHDL语言的特点。 最后一部分是本论文研究的主要内容，即JPEG 2000中最核心的算法-提升格式小波变换的一维变换模块设计和二维变换模块设计。一维提升小波变换模块采用两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的串行流水线结构和高速高功耗的并行阵列结构。同样，二维小波变换模块也采用了两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的折叠结构和高速高功耗的串行结构。 文章对提升小波变换的FPGA实现中的大量细节问题进行了讨论，给出了每种结构提升小波变换模块的电路原理图，并对原理图进行了仿真测试，仿真测试结果不仅表明了模块功能的正确性，而且表明不同小波模块可以满足相应领域的实际要求。
上传时间： 2013-06-08
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随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理已经逐渐发展成一门关键的技术科学。图像处理作为一种重要的现代技术，己经在通信、航空航天、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等领域得到广泛的应用。图像处理特别是高分辨率图像实时处理的实现技术对相关领域的发展具有深远意义。另外，现场可编程门阵列FPGA和高效率硬件描述语言Verilog HDL的结合，大大变革了电子系统的设计方法，加速了系统的设计进程，为图像压缩系统的实现提供了硬件支持和软件保障。 本文主要包括以下几个方面的内容： (1)结合某工程的具体需求，设计了一种基于FPGA的图像压缩系统，核心硬件选用XILINX公司的Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA芯片，存储器件选用MICRON公司的MT48LC4M16A2SDRAM，图像压缩的核心算法选用近无损压缩算法JPEG-LS。 (2)用Verilog硬件描述语言实现了JPEG-LS标准中的基本算法，为课题组成员进行算法改进提供了有力支持。 (3)用Verilog硬件描述语言设计并实现了SDRAM控制器模块，使核心压缩模块能够方便灵活地访问片外存储器。 (4)构建了图像压缩系统的测试平台，对实现的SDRAM控制器模块和JPEG-LS基本算法模块进行了软件仿真测试和硬件测试，验证了其功能的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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随着微电子技术的高速发展，实时图像处理在多媒体、图像通信等领域有着越来越广泛的应用。FPGA就是硬件处理实时图像数据的理想选择，基于FPGA的图像处理专用芯片的研究将成为信息产业的新热点。 本文以FPGA为平台，使用VHDL硬件描述语言设计并实现了中值滤波、顺序滤波、数学形态学、卷积运算和高斯滤波等图像处理算法。在设计过程中，通过改进算法和优化结构，在合理地利用硬件资源的条件下，有效地挖掘出算法内在的并行性，采用流水线结构优化算法，提高了顶层滤波模块的处理速度。在中值滤波器的硬件设计中，本文提出了一种快速中值滤波算法，该算法大大节省了硬件资源，处理速度也很快。在数学形态学算法的硬件实现中，本文提出的最大值滤波和最小值滤波算法大大减少了硬件资源的占用率，适应了流水线设计的要求，提高了图像处理速度。 整个设计及各个模块都在Altera公司的开发环境QuartusⅡ以及第三方仿真软件Modelsim上进行了逻辑综合以及仿真。综合和仿真的结果表明，使用FPGA硬件处理图像数据不仅能够获得很好的处理效果，达到较高的工作频率，处理速度也远远高于软件法处理图像，可满足实时图像处理的要求。 本课题为图像处理专用FPGA芯片的设计做了有益的探索性尝试，对今后完成以FPGA图像处理芯片为核心的实时图像处理系统的设计有着积极的意义。
上传时间： 2013-06-08
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