论文研究-基于FPGA的实时数字图像放大设计 .pdf

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基于FPGA的实时数字图像放大设计,王景峰,程永强,本文介绍了一种基于FPGA的双三次插值实时图像放大设计方法,阐述了双三次插值算法的基本原理,设计并实现了基于FPGA的三次插值算法�
山国科技论文在线 图邻域二维方向插值小意图 .算法的实现 系统结构 系统总体结枃如图所示,控制模块根据外部输入的放大倍数控制对输入缓冲数据的更 新和读取,并卂根据放人倍数在系数选择模块选择相应的计算系数送给插值模块进行插值计 算。由于采用邻域的双三次插值计算每一个目标图像像素值需要原始图像相邻行的四个 像素,因此输入缓冲模块采用个双口时钟冋步 )来实现,可以将原始图像 的相邻行写入双口 中,计算出利用这两行数据能插值出的所有目标图像像素,然后 更新较早写入双口的那一行像索数据再进行插值计算。系数选择模块里面含有常用的 放人倍数所对应的插值系数,在进行不同的放大倍数时,插值模块不需要进行修改,只需要 将相应的参数送入插值模块就可以了,采用这样的方法虽然只能实现一些常用特定倍数的放 大但避免了烦琐的插值系数的计算,节省了运算时间和系统资源。 放大倍 搾制模块 数输入 输入 输出 数据 输入 插值 缓冲 模块 图系统结构图 数据存取控制处理 数据存取控制处理由控制模垬配合系数选择模块和输λ缓冲实现。控制模块选择当前 行数据存入哪一个双口 ,并产生读写地址。由于放大倍数不同时相同的原始像素个数 计算出的插值图像像素个数是不冋的,因此要根据放大倍数遥过控制模块合理的连续读取输 入缓冲里面的原始像素送入插值模块进行计算。例如水平方向要进行倍放大时要读取个原 始像素,计算出个插值像素,而在进行倍放人时要读取个原始像素,计算岀个插值像 素就可以了。因此在进行倍放大时连续读取缓冲里面的个原始像素后要停顿个像素周期 再读取新的原始像素,而进行倍放大时迮续读取缓冲里面的个原始像素后要停顿个像 素周期再读取新的原始像素 当帧中的第·行图像数据到来吋,控制模块先将此行数据写入中,不读取两 个 当第二行数据刭来时,控制模块将此行数据写入 中,并且当写入第 数据之后就开始从另一个中读取原始像素送入插值模块进行计算。当第三行数据到米 山国技记文在线 时,将此行数据写入 中,当第三行数据到来时,将此行数据写入 中,如此反 复完成数据的缓冲。 双三次插值算法实现 对」图所示根据相邻四像索值计算插值像素值的情况设计如图所示的结构来实现双 三次插值 冲模块 f:;|9 ○ 系 ○ 9 ○ ○ 图邻域双三次插值结构图 通过原始像索i,f,f,终过双三次插值得到插值像素F的实现过程如下:()从 缓冲模垬中的两个行缓冲中分别读取,f,fo,f,同吋系数模块根据放大倍数 选择各个原始像素的水平方向插值系数0,po:,1o,q,;()各个原始像素分别与对应 的水平方向插值系数相乘;()每行两个原始像素与相对应的水平插值系数相乘得到的结果 相加得到临时插值像素F、F1,同时系数模块选择临时像素在垂直方向插值系数φ'σ,¢’; 临时插值像素F、F/与对应的垂直方向插值系数相乘;()临时插值像素与对应的垂直方 向插值系薮相乘的结果求和得到插值像素F。 根据实现过程可以看到整个过程包括读取、计算、存贮等操作要用若干个时钟周期来完 成,而且计算又分为水平和垂直两个方向,因此为了保证处理的实时性,我们可采用流水线 的结构来实现插值过程,按照上面的^步骤将整个过程划分为级流水,通过流水处理缩短 处理时间,增加处理效率。另外,由于插值系数为之间的小数,而不支持浮点运 算,因此可以将插值系数转换为的负墼薮次幂和的形式通过移位方法来得到原始像素值与 插值系数的乘积,例如若插值系数为则我们取其近似值 ,这样我们可以将 原始像素值右移位得到的值与原始像素值冇移位得到的值做加法得到原奷像素值与插值 系数的近似乘积,避免了浮点运算。 资源占用统计 将该设计在 公司的 系列的 的上实现倍以内的放大 山国技记文在线 时,使用软件统计占用系统资源如表所示。 表系统资源占用统计 Logic Utilization Used A平ai]盘bLg Utilization Number of slices 4日4 2448 Cumber of slice flip Flops 480 486 Humber of 4 input LUTE 614 16 umber of bonded ioes 158 34% umber of bram Number of GCl 结论 木文介绍了基于的双三次插值图像放大模块的设计方法,将常用放大模块插值系 数保存在系数模块中,避免了插值系数的计算,并且在邻域内进行计算,在不明显降低 插值效果的前提下降低了计算量。由于系统采用了进行设计,因此具有很强的扩展性 可以在不改变使件系统的基础弌进行算法改进,增加了系统的活性和适应性。 参考文献: 王岳环彭晓基于的数字图像实时放人设计计算机工程与应用 张阿珍刘改林邹雪城向祖权基于双三次插值算法的图像缩放引擎的设讣微电子学与讣算机 焦戬张辉胡广书基丁的数字射线图像的实时缩敚模块北京生物医学工程 李开宁张煥春经亚枝基于动态可重构的高速、高质量的图像放大屮国图形图像学报 FPGA, bicubic interpolation, image enlargement 作者简介:土景峰,男,年生,硕士研究生,研究方向为数字图像处理硬件实现。 程永强,男, 年生,副教授,硕士生导师,研究方向为图像处理算法及实 现

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