宽动态色调映射电路设计

摘要

宽动态图像具有细节层次信息丰富的特点，但是在低动态范围显示器上显示时，由于动态范围的不匹配会造成宽动态图像细节丢失。色调映射电路在对宽动态图像进行处理时，动态范围压缩的情况下依然保留了重要的细节层次信息，解决宽动态图像与低动态显示器间动态范围不匹配的问题。
　　本文首先对Durand色调映射算法进行分析和简化，算法的复杂度主要来自图像处理中的浮点数运算，因此本文将算法浮点数运算转换成定点数运算，在转定点运算的过程中保证TMQI值的损失低于0.01。然后完成算法的硬件电路设计，主要包括色彩插值、指数对数算子、20位整数除法器、色彩矫正、双边滤波等模块。在电路设计中，为了满足实时性处理需求，整体结构采用并行流水线的方式增加电路运算效率，对指数和对数等非线性算子采用多项式拟合的方式进行设计。
　　本文基于DE2-115开发板平台和TRDB-D5M摄像头搭建的图像采集系统对电路进行仿真验证。实验结果表明，电路支持分辨率为1024×768的图像在40MHz工作频率下实现30fps实时显示，使用18324个逻辑单元和86.5Kb存储器资源。利用Matlab对简化算法与原始算法进行仿真，结果显示简化算法的TMQI值损失平均不超过0.005，FPGA图像采集系统中色调映射模式结果相较于线性模式的TMQI值平均提升了0.11。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和设计目标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

第二章 宽动态图像与色调映射技术

2．1 宽动态图像简介

2．2 宽动态图像文件格式

2．3 色调映射技术综述

2．3．1 全局映射算子

2．3．2 局部映射算子

2．4 客观评价指标

2．5 本章小结

第三章 双边滤波色调映射算法分析和简化

3．1 双边滤波技术

3．2 双边滤波色调映射算法

3．2．1 基本层与细节层的分解

3．2．2 对比度压缩

3．2．3 映射结果处理

3．2．4 算法评价

3．3 算法的简化

3．3．1 浮点转定点

3．3．2 定点化算法模型性能分析

3．4 RAW格式图像色调映射

3．4．1 RAW色彩插值算法

3．4．2 基于RAW格式的色调映射

3．5 本章小结

第四章 电路设计和FPGA验证

4．1 整体结构设计

4．2 RAW格式插值电路设计

4．2．1 窗口生成器

4．2．2 插值计算电路

4．3 双边滤波色调映射算法电路设计

4．4 色调映射算法电路的验证

4．4．1 验证方法介绍

4．4．2 模块验证

4．5 性能分析和指标对比

4．5．1 硬件仿真结果分析

4．5．2 FPGA实时效果分析

4．5．3 指标对比分析

4．6 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献