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人工智能-图像处理-基于FPGA的实时图像处理系统.pdf
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人工智能-图像处理-基于FPGA的实时图像处理系统.pdf
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摘要
随着计算机技术的飞速发展,实时图像处理系统现在朝着高速、高清晰度、
高集成化、高可靠性方向改进。鉴于软件处理系统在实时性和速度上的不足,用
硬件来实现图像处理算法正逐渐成为研究热点。可编程逻辑门阵列(FPGA)是当今
运用较为广泛的可编程逻辑器件,具有速度快、可移植性强的特点,非常适合算
法简单而数据量大的图像前期预处理。
本文提出了一种实时图像处理系统结构,包括四个处理模块:自动曝光控制
模块,颜色插值模块,自动饱和度调整模块,色度空间转换模块。该系统可实时
处理CMOS传感器输出的Bayer格式图像,对图像的亮度和饱和度进行调整以获得
较好的图像,最后按照YCbCr格式输出图像。本文采用FPGA平台实现,对原始的
图像处理算法进行分析改进,考虑硬件资源的合理利用,采用模块化设计思想和
流水线技术,从而提高实时图像处理系统的处理速度。本系统先通过PC端Modelsim
软件进行功能仿真,仿真正确后在硬件平台上验证,证明本文提出的系统具有较
好的性能和处理速度。
关键词: 可编程逻辑器件 图像处理 颜色插值 自动曝光
万方数据
万方数据
Abstract
With the advancement and improvement of computer technology and
microelectronics technology, Image preprocessing system is developing towards
high-speed, high-definition, high-integration and high-reliability. According to the
software processing systems' insufficient of speed and real-time performance, the
achievements of image processing algorithms on FPGA tend to be a new
research hotspot. FPGA(Field Programmable Gate Array) is one of the most
widespread uses in programmable logic device with the advantage of fast-speed and
nice transplanting property, which can realize hardware pipeline and parallel processing
technology . These characteristics make it well suited for real-time image preprocessing
which has simple algorithm and huge amount of data.
A real-time image processing system is proposed in this paper, which consists of
four modules, including automatic exposure control, color interpolation ,automatic
saturation adjusting and color space conversion.This system can process the Bayer
pattern data coming from the CMOS sensor, adjust the luminance and saturation of the
picture and output the sequence of YCbCr format..This system was implemented on
FPGA,hence,we analysed and improved the orginal algorithms in consideration of
hardware resource utilizing. Through the pipelining technology and the
modularization,the image processing speed is enhenced. This system was function
simulated in Modelsim software, and then test on hardware paltform.The experiment
results prove that this system preformed well both in speed and function.
key word: FPGA image-processing Color interpolation Automatic
exposure control
万方数据
万方数据
目录
第一章 绪论 ................................................................................................................... 1
1.1 研究背景与意义 ................................................................................................. 1
1.2 基于FPGA的实时图象处理技术的发展现状 ................................................... 2
1.3 本文组织结构 ..................................................................................................... 3
第二章 实时图像处理算法介绍 ................................................................................... 5
2.1 数字图像处理基本知识 ......................................................................................... 5
2.1.1 色彩理论知识 ................................................................................................... 5
2.1.2 常见颜色空间模型 ........................................................................................... 6
2.1.3 数码相机结构及工作原理 ............................................................................... 8
2.2 自动曝光算法 ....................................................................................................... 10
2.2.1 基于查找表的自动曝光算法 ......................................................................... 11
2.2.2 改进后的自动曝光算法 ................................................................................. 12
2.3 颜色插值算法 ....................................................................................................... 13
2.3.1 引言 ................................................................................................................. 13
2.3.2 双线性插值算法 ............................................................................................. 14
2.3.3 线性梯度插值算法(Pixel Grouping) ........................................................ 16
2.4 自动饱和度调整算法 ........................................................................................... 19
2.4.1 RGB彩色空间到HSV彩色空间转换 .............................................................. 19
2.4.2 获取新饱和度S’ ............................................................................................. 20
2.4.3 HSV彩色空间到RGB彩色空间转换 .............................................................. 21
2.5 色彩空间转换算法 ............................................................................................... 22
2.5.1 RGB空间和YUV空间转换 ............................................................................. 22
2.5.2 RGB空间和YIQ空间转换 ............................................................................... 23
2.5.3 RGB空间和YCbCr空间转换 .......................................................................... 23
第三章 图像处理算法的FPGA设计 .......................................................................... 27
3.1 FPGA设计基本原理 .............................................................................................. 27
3.1.1 硬件描述语言概述 ......................................................................................... 27
3.1.2 本系统的FPGA设计方法 ............................................................................... 27
3.2 自动曝光算法的FPGA设计 ................................................................................. 30
3.2.1 图像信息统计模块 ......................................................................................... 30
3.2.1 流程控制模块 ................................................................................................. 31
3.3 颜色插值算法的FPGA设计 ................................................................................. 32
3.3.1 双线性插值算法的FPGA设计 ....................................................................... 32
万方数据
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