基于DSP与FPGA的图像互相关匹配算法研究与实现

摘要

随着科学技术的迅猛发展,图像匹配技术己成为近代信息处理,特别是图像信息处理领域中的一项极为重要的技术。被广泛应用于军事和民用领域。伴随着微电子技术的不断进步,低功耗、小型化的图像匹配系统需求越来越多,并对应用于这些系统上的软件算法实时处理能力要求越来越高。本文结合ADSP-TS201处理器和XC5VLX110T型FPGA对应用最为广泛的、匹配性能较强的归一化互相关软件算法进行了优化设计。结合两种硬件的不同特性和算法自身特点,本文论述了两种不同的优化方案,并对这两种方案进行了具体的介绍和实现。
　　 首先,本文对归一化互相关图像匹配算法的已有优化思路进行了研究和总结,分析了三种不同优化策略的适用性、优缺点以及其实现手段。
　　 其次,本文结合ADSP-TS201处理器的硬件架构和互相关图像匹配算法特点,提出了一种递推多模板快速算法,并将其与TS201处理器的并行汇编优化技术相结合,构建了递推多模板并行汇编优化实现方案。本文详细论述了此实现方案的设计思路和实现方法,并将该方案的性能与常规实现方案进行了性能对比。实验证明,本文提出的基于DSP的归一化互相关优化设计方案,在保证软件算法性能的前提条件下,大大提升了算法执行效率。
　　 之后,本文尝试使用XILINX公司的Virtex-5XC5VLX110T型FPGA器件,设计了一种互相关算法的数据并行优化方案。本文同样给出了此优化实现方案的具体设计思路,并参照DSP优化设计指标,通过使用数据并行和流出处理技术,对此优化设计方案进行了实现和测试。
　　 最后,本文对两种优化实现方案进行了简短对比,分析了两种器件的不同应用方向和软件优化的适用性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外发展现状

1.2.1 图像匹配技术概述

1.2.2 图像匹配技术的发展

1.2.3 互相关图像匹配算法

1.3 本文工作内容及结构安排

第2章 互相关图像匹配技术及其优化设计研究

2.1 互相关图像匹配技术典型算法研究

2.1.1 归一化互相关算法

2.1.2 SSDA算法

2.1.3 金字塔算法

2.1.4 频域变换算法

2.2 算法优化思路研究

2.3 图像匹配技术实现手段

2.3.1 实现手段研究

2.3.2 嵌入式系统的发展

2.4 本章小结

第3章 基于DSP的递推多模板并行汇编优化方案

3.1 DSP技术及其开发流程

3.1.1 DSP技术概述

3.1.2 DSP开发流程

3.2 ADSP-TS201处理器介绍

3.2.1 ADSP-TS201处理器概述

3.2.2 ADSP-TS201计算核心

3.2.3 ADSP-TS201开发环境

3.3 基于硬件特性的算法优化方向分析

3.3.1 算法流程优化分析

3.3.2 数据流控制优化分析

3.3.3 硬件资源利用优化分析

3.4 递推多模板快速算法

3.4.1 递推关系快速运算

3.4.2 多模板快速运算

3.4.3 递推多模板快速算法处理流程

3.5 优化方案实现与测试

3.5.1 汇编指令并行优化设计

3.5.2 数据存储结构优化设计

3.5.3 实现平台

3.5.4 系统实现

3.5.5 系统测试

3.6 本章小结

第4章 基于FPGA的数据并行优化方案

4.1 FPGA技术及其开发流程

4.1.1 FPGA技术概述

4.1.2 FPGA开发流程

4.2 XILINX公司的Virtex-5 LXT系列FPGA

4.2.1 Virtex-5 LXT介绍

4.2.2 Virtex-5 DSP48E

4.2.3 Virtex-5 LXT开发环境

4.3 优化方向分析

4.4 数据并行优化方案

4.4.1 架构设计

4.4.2 数据存储和读取设计

4.4.3 数据并行和流水操作设计

4.4.4 浮点数据运算设计

4.5 系统实现与仿真

4.5.1 实现平台

4.5.2 器件实现及仿真

4.5.3 系统仿真

4.6 本章小结

第5章 基于DSP与FPGA的互相关算法优化对比

5.1 硬件结构及其算法适用性比

5.2 算法实现手段对比

5.3 处理时间和资源占用情况对比

5.4 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢