实时图像消旋与无级缩放技术研究及FPGA+DDR实现

摘要

近年来，随着数字图像处理技术的发展，实时图像消旋和无级缩放技术被广泛应用到各行各业，无论是红外吊舱系统、光学瞄准器等军用设备还是民用领域中生产监视、闯入告警等都离不开图像消旋和无级缩放技术。但是利用传统的图像消旋和缩放算法，图像会变得平滑，图像的边缘特征会受到破坏，这将会影响到后续的图像处理算法，因此对图像消旋和无级缩放算法的研究仍然是一个很重要的课题。
　　本文对图像消旋和缩放算法进行了详细分析，总结出了它们的一些共性，针对项目的实际需求，将两者的坐标变换公式和插值算法进行了融合。通过对常用插值算法的分析和比较，引入了基于边缘的梯度插值方法，并建立了相关的梯度插值模型，提出了一种将梯度插值和双线性插值有效结合的改进插值方法。最终利用Modelsim进行仿真，从仿真结果可以看出，利用改进算法，图像对比度明显提高，并且降低了单纯梯度插值带来的边缘噪声，很好的保留了图像的边缘信息。这在一定程度上验证了改进算法是可行的，可以达到项目的相关设计要求。当前图像处理技术正朝着高分辨率的方向发展，相关的图像处理算法处理的图像数据量也会越来越大，传统硬件平台大多数使用的存储器是片内RAM、片外SRAM、片外SDRAM等。无论是从成本还是存储容量考虑，它们都很难满足项目需求；特别是某些军品设计，一味使用片内RAM作为缓存器，不仅耗费了FPGA宝贵的片内资源，而且随着高分辨率的发展要求中、低档的FPGA已经被逐渐被弃用，相应的研发成本就会提高。因此，本文提出了一种以中低档FPGA为核心处理芯片，以高速率、大容量、低成本的DDR SDRAM为缓存器的低成本、高分辨率的新型硬件平台，并且调试成功，能很好的满足实际项目的要求。基于FPGA+DDR的架构带来了成本和存储容量上的优势，但是对DDR的读写操作是必须要克服的困难。通过调整改进算法的实现方案，以片内异步RAM为纽带，借助流水线思想，成功的实现了对DDR的读写操作，将改进算法成功的移植到新硬件平台。

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第一章 绪论

1.1 图像及视频技术概述

1.2 课题研究意义

1.3 课题研究现状

1.4 主要研究工作及论文安排

第二章 传统图像消旋和缩放技术

2.1 电子消旋技术优点

2.2 图像消旋的基本原理

2.3 传统缩放插值技术

2.4 消旋和缩放技术融合和FPGA实现

2.5 本章小结

第三章 图像消旋和无级缩放算法的改进和仿真实现

3.1 双线性插值图像的主观评价

3.2 梯度的基本知识

3.3 梯度插值模型

3.4 梯度插值图像的质量分析

3.5 对现有算法的改进

3.6 具体的方案设计

3.7 算法MODELSIM仿真

3.8 算法性能分析

3.9 本章小结

第四章 低成本高分辨率的硬件平台设计

4.1 传统硬件平台概述

4.2 平台的设计原理和框图

4.3 主要单元模块

4.4 该硬件平台的发展空间

4.5 本章小结

第五章 改进算法在新硬件平台上的FPGA实现

5.1 设计方案调整

5.2 IIC配置模块

5.3 中值滤波模块

5.4 梯度插值模块

5.5 DDR控制器的操作模块

5.6 双线性插值模块

5.7 本章小结

第六章 软硬件联调及结果分析

6.1 软硬件联调

6.2 最终图像质量分析

6.3 FPGA资源使用情况

6.4 实时性分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果

附录: FPGA+DDR核心板实物图