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1、江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文基于FPGA的視頻圖像旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名:徐飛申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)教師:肖鐵軍20100611江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要在嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理應(yīng)用中,圖像旋轉(zhuǎn)廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,它是很多圖像預(yù)處理、檢測(cè)的重要前提。在當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用中,人們要求圖像處理系統(tǒng)趨向小型化的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也提出了更高的要求。近年來(lái),隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,可編程邏輯器件FPGA的內(nèi)部資源越來(lái)越豐富,功能也越來(lái)越強(qiáng)大,因此FPGA在當(dāng)前的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,同時(shí)FPGA憑借其強(qiáng)大的并行處理數(shù)
2、據(jù)的能力和基于SOPC系統(tǒng)的靈活性在圖像處理領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)。圖像處理的特點(diǎn)是處理的數(shù)據(jù)量大,處理耗時(shí),特別是基于嵌入式軟核的軟件處理速度更是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸。鑒于此,本文完成了視頻圖像旋轉(zhuǎn)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文采用基于SOPC系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)包括視頻采集模塊、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、視頻圖像旋轉(zhuǎn)及其硬件加速模塊、視頻顯示模塊。對(duì)視頻圖像旋轉(zhuǎn)的FPGA架構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì),SOPC系統(tǒng)的構(gòu)建,采用CORDIC算法對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣中的正余弦計(jì)算進(jìn)行硬件加速。軟件部分包括圖像旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和雙線(xiàn)性插值算法實(shí)現(xiàn)圖像旋轉(zhuǎn)。模塊之
3、間通過(guò)Avalon總線(xiàn)協(xié)同工作。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了15級(jí)流水線(xiàn)的優(yōu)化CORDIC!]11速器對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣中的正余弦計(jì)算進(jìn)行了硬件加速。CORDIC算法模塊經(jīng)過(guò)一定的時(shí)鐘周期就會(huì)連續(xù)得到輸入角度的正余弦結(jié)果,利用NiosII的多周期自定義指令來(lái)實(shí)現(xiàn)它與NiosIIALU的連接,實(shí)現(xiàn)了CORDIC力[I速器。通過(guò)對(duì)CORDIC算法的局限進(jìn)行了優(yōu)化的FPGA設(shè)計(jì),對(duì)旋轉(zhuǎn)周期的擴(kuò)展,反J下切函數(shù)表存儲(chǔ)的優(yōu)化和模校正因子的簡(jiǎn)化,在不改變算法精度的前提下,減少了ROM存儲(chǔ)單元的使用,擴(kuò)展了旋轉(zhuǎn)的周期。最后給出了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)使用優(yōu)化的加速器加速之
4、后和加速之前的性能進(jìn)行比較,系統(tǒng)性能提高了大約26倍,系統(tǒng)得到了加速,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,同時(shí)還有大量的硬件和存儲(chǔ)資源用于其它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本文的特色在于充分利用SOPC的設(shè)計(jì)思想和軟件的硬件加速思想,將設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊集成在一塊單FPGA處理芯片上,相比于FPGA+MCU的實(shí)現(xiàn)方法,較大的節(jié)省了系統(tǒng)的資源和丌銷(xiāo)。此系統(tǒng)參加了2009Altera亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽,獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)。關(guān)鍵詞:FPGA,SOPC,圖像旋轉(zhuǎn),硬件加速,Avalon,自定義指令江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTInembeddedreal—timeprocessin
5、gapplications,imagerotationiswidelyusedinvariousfieldsofsocialproductionandlife,itisanimportantprerequisiteofimagepreprocessinganddetection.Whiletheimageprocessingsystemisrequiredsmaller,itsreal-timeperformanceisputforwardhigherintoday’Sindustrialapplications.Inrecentye
6、ars,withthedevelopmentoflargescaleintegratedcircuits,programmablelogicdeviceFPGA'sinternalresourceshavebecomeincreasinglydiverse,morerobustfunctionality.Thus,F(xiàn)PGAhasbeenwidelyusedinthecurrentembeddedreal—timesystem.Meanwhile,F(xiàn)PGAhasagreatadvantageofitspowerfuldataproces
7、singwithparallelandflexibilityofthesystembasedonSOPCinthefieldofimageprocessing.Imageprocessingischaracterizedbylargeamountofdataprocessing,handlingtime—consuming,especiallysoftwarebasedonembeddedsoft—coreprocessingwhosespeedisabottleneckinreal—timesystems.Fromthispoint
8、ofview,thispapercompletedthedesignandimplementationofvideoimagerotationbasedonFPGA.Inthispaper,hardwareandsoft