基于FPGA的数字图像旋转引擎设计

摘要

数字图像旋转和缩放，是数字图像处理中对图像信号相对显示几何位置和大小变换的技术，广泛应用于电子消旋系统、数码相框、医学显示系统、投影显示系统等产品。本文将设计一种基于FPGA的图像旋转引擎，它能实现图像的旋转和缩放功能，并能满足上述应用场合的实时性的要求。
　　 图像旋转的算法包括两方面：坐标旋转算法和图像插值算法。坐标旋转算法的实现电路是图像旋转引擎的设计重点和难点。坐标旋转算法中包括了sin、cos的计算，而sin、cos属于超越函数，无法在电路上直接实现。本文在研究各种间接实现坐标旋转算法的电路方案的基础上，对现有的CORDIC坐标算法电路作了两点改进。其一是提出增加两个K因子乘法器以实现图像的缩放功能。与传统的CORDIC算法电路相比，改进后的电路仅用两个乘法器就解决CORDIC算法的K去模问题，并增加了图像缩放功能。其二是电路采用流水线结构。与传统的迭代结构的电路相比，流水线结构的电路有较高运算速度，能满足实时图像处理的速度要求。
　　 图像插值电路是图像旋转引擎的另一设计重点。常用的图像插值算法包括最近邻域插值、双线性插值、双三次插值。本文采用主观评介和PSNR客观评介相结合的方法对三种算法的图像质量进了比较。在此基础上，比较了三种插值算法电路实现复杂度。结果表明，双线性插值算法有较优的图像质量和较低的电路规模。因此采用双线性插值算法设计了插值器电路。
　　 图像旋转引擎的另一个设计难点是图像的帧存储。通常的图像处理系统都采用DDRSDRAM作为数据存储器。由于图像旋转对帧存数据的读取是不连续的，DDR SDRAM存储器在读取图像数据的时候要频繁地切换行地址。这使得存储器的读操作效率低下。本文提出一种分区间帧存结构，大大减少了读取数据时DDR SDRAM的行切换次数，提高了存储器的读操作效率，使数据的读取速度能满足处理速度的要求。
　　 设计以Altera CycloneⅡ EP2C35F672C8为目标器件，对算法的实现电路进行功能和时序仿真。仿真结果表明，算法电路有较高的转换精度和较高的运算速度，其中坐标转换模块的时钟频率达到130MHz，信号处理模块的时钟频率达到140MHz。最后，在FPGA硬件平台上对数字图像旋转引擎进行了整体验证。图像的输入信号取自 PC机的 VGA信号接口，处理后的图像输出液晶显示器的VGA信号接口。验证的结果显示，数字图像旋转引擎所处理的图像清晰稳定，能设定旋转角度、旋转方向和缩放比例，实现自如流畅的动态画面旋转和缩放。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 数字图像技术的发展状况

1.2 设计基于FPGA的图像旋转引擎的意义

1.3 论文的主要工作和各章节安排

第二章 坐标旋转的算法和电路实现方案研究

2.1 图像旋转原理概述

2.2 两种简单的旋转坐标电路

2.2.1 基于查找表LUT结构的电路

2.2.2 坐标累加法的电路实现

2.3 基于CORDIC旋转坐标电路

2.3.1 CORDIC坐标旋转算法原理

2.3.2 基本迭代结构的CORDIC电路

2.3.3 双倍迭代结构的CORDIC电路

2.4 改进的CORDIC电路坐标转换电路

2.5 本章总结

第三章 图像插值算法和电路实现方案研究

3.1 信号采样理论

3.2 图像插值的原理

3.3 图像插值算法

3.3.1 有限sine函数插值

3.3.2 最近邻域插值算法

3.3.3 双线性插值算法

3.3.4 Key三次插值算法

3.4 图像插值算法比较

3.4.1 图像插值质量主观评介

3.4.2 图像插值质量客观评介

3.4.3 图像插值算法的运算量比较

3.5 用于图像旋转的插值电路实现方案

3.6 本章小结

第四章 图像旋转引擎的电路设计

4.1 整体架构设计

4.2 DDR SDRAM工作原理

4.2.1 DDR存储器的数据传送

4.2.2 DDR存储器的刷新操作

4.2.3 DDR存储器的读写操作

4.3 图像旋转的帧存结构

4.3.1 传统帧存结构的缺点

4.3.2 改进的分区间帧存储结构

4.4 数据控制器模块

4.4.1 输入缓冲区模块

4.4.2 坐标缓冲区模块

4.4.3 DDR输出缓冲区模块

4.4.4 中央控制器模块

4.4.5 地址译码器模块

4.5 图像输入模块设计

4.6 坐标转换模块设计

4.7 DDR SDRAM控制器

4.8 信号处理模块

4.9 图像输出模块

4.10 24bit转48bit和48bit转96bit模块

4.11 本章小结

第五章 验证方法和验证结果分析

5.1 验证方法和策略

5.2 硬件验证平台

5.3 坐标转换模块验证分析

5.4 信号处理模块验证分析

5.5 整体设计的FPGA验证分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢