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基于FPGA的数字图像处理基本算法研究与实现

作　者: 吴艳
导　师: 彭宇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: FPGA 数字图像处理 实时性
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 938次
引　用: 5次
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内容摘要


随着多媒体技术和网络技术的迅速发展,数字图像处理被广泛地应用到各个领域中,人们对图像处理也提出了越来越高的要求。仅依靠软件实现的图像处理已经无法满足实时性、高效性等需求。另一方面,微电子技术的高速发展,使基于各种硬件平台的数字图像处理更显优势。本课题针对基于FPGA的数字图像处理方法进行了有益的研究,为后继开展以FPGA为核心的实时图像处理系统的应用开发以及新型数字图像处理算法的硬件设计奠定了基础。文中首先介绍了数字图像处理的相关知识及基本算法,并使用Verilog硬件描述语言实现了直方图均衡化、中值滤波、卷积运算、边缘检测和小波变换等基本算法的逻辑设计。本文在中值滤波的设计中选用的快速算法,以及在卷积运算中采用的树型移位相加乘法器,都发挥了FPGA并行处理的优势,这极大地节省了硬件资源,提高了处理速度。本文首先在MATLAB中实现了各算法的软件仿真,并以其结果作为参照,在Quartus II软件平台上进行各算法的逻辑设计。两种平台的仿真结果对比表明,针对同一幅图像,Quartus II的硬件仿真与MATLAB的软件处理得到的图像数据几乎一致。最后,本文还设计了以FPGA为核心的图像处理实验板,对仿真正确的各种算法逻辑进行了基于硬件平台的实验验证和性能分析。实验结果表明,使用FPGA进行图像处理,不仅能够获得很好的处理效果,而且处理速度也远远高于软件方法的处理效率,达到较高的工作频率,从而满足实时图像处理的要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题背景  9
  1.2 数字图像处理实现平台  9-12
  1.3 基于FPGA的图像处理发展现状  12-13
  1.4 本文主要研究内容及结构  13-15
第2章 数字图像处理技术  15-32
  2.1 数字图像的表示方法  15-16
    2.1.1 灰度图像的阵列表示法  15-16
    2.1.2 二值图像表示法  16
  2.2 数字图像处理的主要研究内容  16-18
    2.2.1 图像变换  16
    2.2.2 图像增强与复原  16-17
    2.2.3 图像编码  17
    2.2.4 图像分割  17-18
    2.2.5 图像描述  18
    2.2.6 图像分类  18
  2.3 数字图像处理的基本算法  18-30
    2.3.1 窗的概念  18-19
    2.3.2 直方图均衡化  19-20
    2.3.3 滤波  20-23
    2.3.4 卷积  23-24
    2.3.5 边缘检测  24-26
    2.3.6 小波变换  26-30
  2.4 本章小结  30-32
第3章 FPGA技术介绍  32-42
  3.1 FPGA技术  32-35
    3.1.1 FPGA的发展  32-33
    3.1.2 FPGA的基本原理  33-34
    3.1.3 FPGA的优点  34-35
  3.2 硬件描述语言  35-36
    3.2.1 硬件描述语言简介  35
    3.2.2 Verilog HDL简介  35-36
  3.3 基于Quartus II的FPGA开发  36-41
    3.3.1 Quartus II开发平台  36
    3.3.2 FPGA开发流程  36-39
    3.3.3 Quartus II实现图像处理逻辑仿真的关键技术  39-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章 数字图像处理算法的FPGA实现  42-64
  4.1 3×3 方形窗的实现  42-45
  4.2 直方图均衡化的实现  45-49
    4.2.1 直方图统计  45-46
    4.2.2 直方图累加与映射  46-47
    4.2.3 直方图均衡化的整体模块  47-49
  4.3 快速中值滤波的实现  49-52
  4.4 卷积的实现  52-55
  4.5 边缘检测的实现  55-57
  4.6 小波变换的实现  57-63
    4.6.1 边界延拓  57
    4.6.2 小波变换逻辑设计  57-62
    4.6.3 四级小波变换仿真  62-63
  4.7 本章小结  63-64
第5章 硬件环境及结果分析  64-70
  5.1 实验板设计  64-65
  5.2 实验及分析  65-69
    5.2.1 直方图均衡化分析  66
    5.2.2 快速中值滤波分析  66-67
    5.2.3 卷积分析  67-68
    5.2.4 边缘检测分析  68
    5.2.5 小波变换分析  68-69
  5.3 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77

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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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