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图像匹配算法及其高速并行实现方法研究

作　者: 陆丽华
导　师: 王小涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 图像匹配 归一化互相关测度 FPGA SIFT 并行架构
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


图像匹配已经广泛应用于双目立体视觉、图像拼接、图像检索、摄影测量与遥感、资源分析、三维重建及目标识别等众多领域,也一直是研究者关注的焦点。为了满足很多领域对图像匹配算法的实时性要求,本文主要研究基于区域的归一化互相关模板匹配和基于特征的SIFT算法匹配,以及这些算法的通用FPGA/ASIC高速并行逻辑架构实现等关键问题。对于基于区域的图像匹配,本文主要考虑了基于归一化互相关度量的图像匹配。为了提高匹配精度,本文采用先对图像进行边缘检测(增强)而后进行模板匹配的方法,具体选用Sobel算子进行锐化,为了提高图像匹配的速度,对边缘检测图像的归一化互相关模板匹配基于FPGA进行了并行架构实现。在这个架构中,提出了很多有效的方法来减少逻辑资源消耗并且提高计算速度。对边缘检测前后图像模板匹配的仿真比较结果表明边缘检测处理可有效锐化相关峰;同时,基于Altera的FPGA芯片EP2S90和开发软件Quartus II 8.0的并行架构功能与时序仿真及在实际目标识别中的应用表明这种方案可有效地提高系统的速度和定位精度,另外FPGA实现本身也进一步缩小了系统的体积。对于基于特征的图像匹配,主要探讨了SIFT和PCA-SIFT特征点提取方法,首先对其理论进行分析,然后结合具体图像给出了相应的仿真结果。同样为了提高图像匹配的速度,本文根据并行需求及性能分析给出了一种SIFT特征点提取通用FPGA/ASIC高速并行逻辑架构,通过采用很多并行策略、CORDIC算法和定点计数格式大大提高了逻辑资源利用,另外为了使该算法能够有更大的扩展性,如将来通过修改软件实现PCA-SIFT,考虑了基于NIOS II软核微处理器编程实现部分功能。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 课题研究背景及研究意义  11
  1.2 国内外的研究现状  11-15
    1.2.1 图像匹配研究现状  12-15
    1.2.2 SIFT 算法研究现状  15
  1.3 FPGA 概述  15-20
    1.3.1 FPGA 设计方法  17-18
    1.3.2 FPGA 硬件芯片和软件开发平台的选择  18-19
    1.3.3 基于NIOS II 软核微处理器的设计  19-20
  1.4 基于FPGA 的并行算法实现  20
  1.5 本文研究内容  20-21
第二章 边缘检测图像的模板匹配高速并行架构  21-39
  2.1 引言  21-22
  2.2 算法基本原理  22-26
    2.2.1 基于归一化互相关测度的模板匹配  22-23
    2.2.2 Sobel 边缘增强算子  23-26
  2.3 FPGA 并行架构实现  26-34
    2.3.1 Sobel 边缘检测模块具体实现  26-28
    2.3.2 基于FPGA 的NCC 运算子模块实现  28-29
    2.3.3 工作流程  29-34
    2.3.4 计算时间  34
  2.4 仿真及实验结果  34-37
    2.4.1 图像边缘检测前后互相关结果  34-35
    2.4.2 功能时序仿真结果  35-37
  2.5 本章小结  37-39
第三章 基于SIFT 的图像匹配研究  39-51
  3.1 引言  39
  3.2 SIFT 算法原理  39-46
  3.3 PCA-SIFT  46-47
  3.4 基于SIFT 和PCA-SIFT 描述符的图像匹配  47
  3.5 实验仿真结果  47-49
  3.6 本章小结  49-51
第四章 SIFT 描述符提取的并行硬件架构  51-62
  4.1 引言  51
  4.2 相关的研究工作  51-52
  4.3 并行硬件架构  52-60
    4.3.1 系统参数设置  52-53
    4.3.2 系统架构  53-54
    4.3.3 硬件模块实现  54-60
  4.4 实验考虑  60-61
    4.4.1 可靠性  60-61
    4.4.2 计算速度  61
  4.5 本章小结  61-62
第五章 总结与展望  62-64
  5.1 全文总结  62
  5.2 课题展望  62-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
在学期间的研究成果及发表的学术论文  69

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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