基于FPGA的视频图像旋转的设计与实现

摘要

在嵌入式实时图像处理应用中，图像旋转广泛地应用于社会生产生活的各个领域，它是很多图像预处理、检测的重要前提。在当今工业应用中，人们要求图像处理系统趋向小型化的同时，对系统的实时性也提出了更高的要求。近年来，随着大规模集成电路的发展，可编程逻辑器件FPGA的内部资源越来越丰富，功能也越来越强大，因此FPGA在当前的嵌入式实时系统中得到广泛应用，同时FPGA凭借其强大的并行处理数据的能力和基于SOPC系统的灵活性在图像处理领域有着很大的优势。图像处理的特点是处理的数据量大，处理耗时，特别是基于嵌入式软核的软件处理速度更是实时系统的一个瓶颈。鉴于此，本文完成了视频图像旋转的FPGA设计与实现。
　　 本文采用基于SOPC系统的软硬件协同设计的思想进行设计，系统包括视频采集模块、视频数据存储模块、视频图像旋转及其硬件加速模块、视频显示模块。对视频图像旋转的FPGA架构进行总体设计，SOPC系统的构建，采用CORDIC算法对旋转矩阵中的正余弦计算进行硬件加速。软件部分包括图像旋转坐标变换和双线性插值算法实现图像旋转。模块之间通过Avalon总线协同工作。
　　 本文设计并实现了15级流水线的优化CORDIC加速器对旋转矩阵中的正余弦计算进行了硬件加速。CORDIC算法模块经过一定的时钟周期就会连续得到输入角度的正余弦结果，利用NiosⅡ的多周期自定义指令来实现它与NiosⅡ ALU的连接，实现了CORDIC加速器。通过对CORDIC算法的局限进行了优化的FPGA设计，对旋转周期的扩展，反正切函数表存储的优化和模校正因子的简化，在不改变算法精度的前提下，减少了ROM存储单元的使用，扩展了旋转的周期。
　　 最后给出了系统的实验结果，对使用优化的加速器加速之后和加速之前的性能进行比较，系统性能提高了大约26倍，系统得到了加速，提高了系统的实时性，同时还有大量的硬件和存储资源用于其它的设计和应用。
　　 本文的特色在于充分利用SOPC的设计思想和软件的硬件加速思想，将设计的各个模块集成在一块单FPGA处理芯片上，相比于FPGA+MCU的实现方法，较大的节省了系统的资源和开销。此系统参加了2009 Altera亚洲创新设计大赛，获得优胜奖。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的目的及意义

1.2课题的研究现状

1.3本文主要工作与论文的章节安排

第二章研究的基础理论及其相关设计技术

2.1数字图像及数字视频技术

2.1.1数字图像技术

2.1.2数字视频技术

2.2 FPGA器件及其设计流程

2.2.1 FPGA器件

2.2.2 FPGA典型的开发流程

2.2.3硬件描述语言

2.3 SOPC设计技术

2.3.1 SOPC技术简介

2.3.2基于Nios Ⅱ的SOPC硬件系统开发流程

2.3.3 SOPC系统软件开发流程

2.3.4 Avalon总线

2.3.5系统的软硬件协同设计

2.4 Nios Ⅱ用户自定义指令

2.4.1定制指令的硬件实现

2.4.2定制指令的软件接口

2.4.3多周期定制指令结构

2.5图像旋转算法

2.5.1图像的映射变换

2.5.2图像旋转矩阵

2.5.3图像旋转坐标变换

2.5.4旋转后外接矩形的计算

2.5.5双线性插值算法

2.6本章小结

第三章基于FPGA的视频图像旋转的总体设计

3.1系统所用器件的选择

3.1.1系统控制芯片FPGA Cyclone Ⅱ EP2C35

3.1.2存储单元

3.2实验系统的总体设计

3.2.1系统整体框架设计

3.2.2系统各模块功能

3.3 SOPC系统的构建

3.4本章小结

第四章视频图像旋转的FPGA设计与实现

4.1 CORDIC算法

4.1.1 CORDIC旋转模式

4.1.2 CORDIC向量模式

4.1.3 CORDIC算法统一结构

4.2 CORDIC算法的实现结构

4.2.1循环迭代结构

4.2.2流水线实现结构

4.3旋转模式下CORDIC加速器的设计

4.3.1总体设计方案

4.3.2算法的各模块的FPGA设计

4.3.3算法的综合与仿真

4.4 CORDIC算法的优化

4.4.1 CORDIC算法的局限

4.4.2旋转周期的扩展

4.4.3反正切ROM存储表的优化

4.4.4模校正因子的简化

4.5优化CORDIC算法的FPGA设计

4.5.1优化的CORDIC算法的总体结构设计

4.5.2优化CORDIC算法的FPGA设计

4.5.3优化算法的综合与仿真

4.6图像旋转的软硬件协同实现

4.6.1图像旋转算法流程

4.6.2优化CORDIC加速器与Nios Ⅱ的连接

4.6.3硬件加速的图象旋转的实现

4.7本章小结

第五章实验结果

5.1系统的设计平台

5.2实验系统的性能分析

5.3系统运行结果

5.4系统消耗资源情况

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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