基于FPGA的宽动态范围视频监控系统的研究与设计

摘要

随着计算机技术的发展，特别是视频监控，医疗影像，机器视觉等领域对图像质量的要求越来越高。本文在总结前人和相关研究的基础上，发现由于常用显示器的数据位的局限性，现实中的宽动态范围图像不能在显示器中真实地显示出来。这主要是受显示设备的内部结构（电荷耦合器以及模数转换器技术）的制约。当然，我们可以通过采购宽动态范围的设备来满足客户的要求，但是这种方法在价格方面比较昂贵。至此，人们在算法层面上提出宽动态范围成像技术。
　　 本文所研究的是基于FPGA的视频监控系统。基于FPGA对数据流处理的优势，作者对监控系统的数据流的结构、系统解决方案进行了全面的分析和阐述。视频的解码器、ITU656控制器、I2C控制器、SDRAM控制器、422to444转换器、YUV2RGB转换器、WDR处理器、VGA控制器、编码器等模块进行了分析和设计。在WDR算法处理模块中，本文提出一种新的Retinex算法:将四次不同方向的顺序迭代求均值。这种新算法不仅克服了传统算法处理过程中四次顺序迭代比较对象的不同的弊端，而且将不同比较时间段浓缩为在一个时间段比较。这样带来的好处是不但减少算法的运算的次数，而且均衡不同比较次数带来的不同比较对象造成的后果，提高系统的效率和图像的质量。
　　 该研究来源于与浙江光科新能源有限公司合作的单晶硅生长过程直径监控的项目合作研发。本文作者主要工作是系统前端图像的预处理，输出流的监控显示，系统架构的搭建以及宽动态图像的可视化处理等。其中，重点是系统的流处理架构，去噪处理和宽动态范围技术。
　　 本文在系统设计的过程中，对数据的时序进行了深入的分析，对硬件模块系统进行深入的讨论。在算法处理的图像质量上，作者运用Matlab对处理前后图像的直方图、亮度均值、信息熵等信息进行主客观定性及定量分析评估。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与来源

1．2 国内外现状

1．2．1 宽动态范围(WDR)

1．2．2 视频监视系统

1．3 本文研究的主要内容

1．3．1 视频监控系统的现状和不足

1．3．2 本文的主要结构和内容

第二章 基于FPGA宽动态范围的视频监控系统结构

2．1 视频监控系统的工作原理

2．2 宽动态范围视频监控系统的结构及方案

2．2．1 基于FPGA技术的优势

2．2．2 系统方案及结构

2．3 本章小结

第三章 基于FPGA的系统模型的建立

3．1 硬件系统数据流的设计

3．2 系统模块开发与设计

3．2．1 ITU656模块

3．2．2 SDRAM控制器

3．2．3 I2C配置模块

3．2．4 422to444模块

3．2．5 YUV2RGB

3．2．6 VGA控制器

3．3 模块设计重难点分析

3．4 本章小结

第四章 一种改进的Retinex算法的提出及FPGA实现

4．1 Retinex的介绍

4．2 基于Retinex的常见算法分类

4．2．1 随机游走法

4．2．2 泊松法

4．2．3 可边框架法

4．2．4 中心环绕法

4．2．5 McCann’s Retinex算法

4．3 一种改进Retinex算法的提出

4．4 改进算法在FPGA上的实现

4．4．1 硬件实现条件

4．4．2 硬件的实现

4．5 实验数据和分析

4．6 本章小结

第五章 系统的分析、总结以及图像质量评估

5．1 把握系统前后模块的数据工作频率

5．2 系统中数据的缓存

5．3 模块的时序设计

5．4 算法图像质量的评估

5．4．1 主观图像质量评价

5．4．2 客观图像质量评估

5．5 实验结果分析及讨论

5．5．1 直方图分析

5．5．2 图像的定量分析

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 系统硬件设计总结

6．2 算法的改进及FPGA实现总结

6．3 图像质量评估总结

6．4 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

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