二值图像欧氏距离转换算法硬件化设计

摘要

距离转换在模式识别、形态学和人工智能等科研领域有着广泛的应用。其中,欧氏距离以其准确性而得到广泛关注。随着图像处理技术和电子技术的发展,针对欧氏距离转换的相关研究逐渐得到广大科研人员的重视。本文详细阐述一种基于二值图像的欧氏距离转换硬件化算法。针对欧氏距离转换硬件化算法的实用性,在前人研究成果的基础上,对不同算法的实现原理和计算性能进行分析和比较,选取一种切实可行的算法作为基础,以计算速度为主要改进指标,在实现细节和算法结构上做了相应的改进,进一步提高相应的硬件计算系统的计算速度,从而使得该欧氏距离转换硬件化算法具备更好的实时处理性能及实用性首先,根据硬件化算法实现的特征,选取一种基于软件实现的高效欧氏距离转换算法作为基础进行改进设计,首先确保在改动过程中,算法的时间复杂度O(N2)不变。其次,在硬件化算法设计中,根据算法在软件平台和硬件平台上实现的区别,对算法进行面向硬件的模块化和细节设计,以减少硬件系统的计算时间开销及存储资源开销,从而实现优化电路规模的设计目标。在设计中,我们充分考虑硬件电路的特点,使用加法计算和移位计算代替乘法计算操作,以使提高电路的计算速度。最后,根据计算系统的实现情况,对整个系统进行结构调整和再设计,最终形成高效的流水线结构。与其他欧氏距离转换算法相比,本文所实现的欧氏距离转换硬件化算法有以下优点:其一,在计算速度力面有很大提升,使其计算时间复杂度从软件实现的O(N2)提高到O(N),从而使得算法具有更好的实时性和实用性其二,通过模块化和细节设计,可以减少系统的存储资源开销,进一步优化算法的空间复杂度。其三,在欧氏距离转换硬件化算法设计实现后,对实现的硬件电路结构并及各个单元结构的功能进行再设计,进行调整以进一步提高计算速度。最后,基于Verilog HDL语言和FPGA平台,将本文设计的算法实现成一个具有二阶流水线的硬件计算系统,对其进行逻辑综合、时序仿真以验证设计功能的实现,并通过EDA工具对其计算性能及系统资源进行分析。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题背景及来源

1.2 国内外研究动态

1.3 课题的主要任务及论文结构

2 欧氏距离转换算法比较与选择

2.1 基本概念

2.1.1 闽值和二值化

2.1.2 邻域

2.1.3 距离转换

2.2 欧氏距离转换算法

2.3 算法硬件化的要求

2.4 Hirata线性欧氏距离转换算法

2.5 小结

3 欧氏距离转换算法硬件化

3.1 欧氏距离转换算法映射到硬件的难点

3.2 欧氏距离转换硬件化算法的算法设计

3.2.1 T1的算法设计

3.2.2 T2的算法设计

3.3 欧氏距离转换硬件化算法的系统结构设计

3.4 本章小结

4 算法硬件模块设计及具体实现

4.1 硬件平台的比较和选择

4.2 FPGA原理与设计方式

4.2.1 FPGA原理与设计流程

4.2.2 混合设计输入方式

4.3 系统实例化到FPGA上的注意点

4.4 模块功能和具体实现

4.5 本章小结

5 仿真实验及结果分析

5.1 验证与仿真

5.2 各个模块及系统的仿真与分析

5.3 硬件计算系统的资源占用分析

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果目录

致谢