高性能数字图像频域滤波系统研究

摘要

随着通信4G时代的到来，信息传递的速度日益加快，信息的获取也需要更加的快捷和准确，对图像处理的实时性要求越来越高。传统计算机串行执行、指令流驱动的工作特点决定了其在高速信号处理方面存在瓶颈，这样的瓶颈，只有用硬件的方法才能解决。FPGA是一种广泛应用的可编程逻辑器件，内含丰富的逻辑资源，可以方便地进行并行和流水运算，通过资源的消耗获得速度的提升。可见，FPGA为图像实时处理提供了一种有效的解决方案。
　　数字图像频域滤波相比空域滤波更为直观，不存在边缘问题，有的图像特性更适合频域滤波。但是图像频域滤波也存在计算复杂处理时间长且不能分区滤波只能整体滤波的特点。为有效地进行图像频域滤波实时处理，提高频域滤波的处理速度，本文设计了一种基于FPGA的高性能图像频域滤波系统。
　　本文在传统图像频域滤波的系统结构及FPGA实现方面进行优化改进。
　　在系统结构方面，首先，本文区别于传统的基于FPGA实现的频域滤波系统，将二维FFT、图像频域数据和滤波器点乘、二维IFFT三部分联系起来进行优化，将传统频域滤波系统中需要在FPGA内对图像数据进行的倒序变换和零频点移动变换移到FPGA外对滤波器数据进行相应变换，从而在减少了FPGA计算量的基础上节省了硬件资源和处理时间;同时，本文增加了补零操作，让频域滤波系统能够处理更多尺寸的数字图像，更具灵活性。
　　在FPGA实现方面，本文在对数据依赖性、资源承受能力进行分析的基础上，搭建高效的实现架构，有效提高了二维FFT、点乘、二维IFFT三个模块的处理速度，从而使频域滤波系统总的处理时间降低。
　　本文设计实现的数字图像频域滤波系统，相比于以前基于Matlab甚至基于FPGA设计的传统的频域滤波系统，处理时间更短，而且可以方便地处理更多尺寸的数字图像，更具灵活性，为数字图像频域滤波技术在数字图像实时处理中的应用提供了一种较好的解决方案。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 实现平台的选择

1．4 图像频域滤波技术的特点与应用

1．5 论文结构

2 系统分析

2．1 图像频域滤波原理

2．1．1 二维快速傅里叶变换(2D FFT)

2．1．2 零频点移动

2．1．3 二维快速傅里叶反变换(2D IFFT)

2．1．4 常见频域滤波器

2．2 传统图像频域滤波系统结构

2．3 本文图像频域滤波系统结构

2．3．1 补零

2．3．2 FFT流图分析

2．3．3 IFFT流图分析

2．3．4 分区滤波的探索

2．3．5 一种新的图像频域滤波系统结构

2．4 本章小结

3 实现平台与工具介绍

3．1 FPGA的原理特点及内部资源

3．2 FPGA设计原则及思想

3．3 HLS设计工具介绍

3．4 本章小结

4 系统实现

4．1 补零

4．2 一维FFT的实现

4．2．1 旋转因子的生成

4．2．2 单行或者单列一维FFT的实现

4．2．3 多行或者多列一维FFT的实现

4．2．4 非原位运算

4．3 二维FFT实现

4．4 数字滤波器设计

4．4．1 与零频点移动的匹配

4．4．2 与傅里叶变换倒位序输出的匹配

4．5 二维IFFT实现

4．6 本章小结

5 系统性能分析

5．1 实验环境介绍

5．2 有效性分析

5．3 实时性分析

6 总结

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集