GPU论文FPGA论文数字图像处理论文图形图像处理论文——基于FPGA的图像处理技术的研究与实现.docVIP

【GPU论文FPGA论文数字图像处理论文图形图像处理论文基于FPGA的图像处理技术的研究与实现? 【摘要】： 随着科技水平的发展和生活质量的提升,在生产生活中,实时图像处理技术被应用得愈来愈广泛。比如,基于实时图像压缩的视频监控系统,和基于实时图像处理的医学图像诊断系统,等等。 实时图像处理涉及到大量的运算,通常需要很高的计算速度、存储容量和数据带宽。这对基于传统应用而设计的通用处理器(例如基于x86架构的桌面式计算系统)而言,是个巨大的负担。因此,以往多采用价格比较昂贵的专用图像处理芯片(ASIC)来满足这种需求。诚然,基于ASIC的图像处理系统往往性能比较优秀,但其对于设计灵活性的缺失却在某些情况下成为其一大弊端。譬如,对于研究图像算法的开发人员,往往无法在这种系统上对新算法进行试验或研究;而对于在产品中应用新算法,设备制造商又不得不进行新一轮的设计。 为了弥补这个缺点,业界也提出了其他的方案。一种方案是采用DSP(数字信号处理器,digital signal processor)平台来进行图像处理。由于DSP平台为数字信号处理在架构上做了特别的优化,所以,这种方案有时也能得到理想的结果。但DSP平台的性能受限于相应软件在其内部架构上是否可以高效的实现。 另一种方案是基于GPU(图像处理器,graphic processing unit)来实现图像处理算法的加速。针对这方面的研究目前非常热门,因为GPU内部的高度并行性,以及出色的带宽指标,是它一个天然的优势。同样,这种方案的性能受限于相应软件在其内部架构上是否可以高效的实现。 上述两种方案目前都开始出现越来越多的应用。然而,随着处理能力需求的提升,这两种硬件平台会遇到功率墙的影响。也就是说,为了达到更高的性能,其工作频率,从而功率耗散,将进一步的提升。而这,可能会影响到它们在嵌入式小型设备中的应用。 本文将研究图像处理在FPGA(现场可编程门阵列)中的实现。由于FPGA的硬件可编程性,它可以通过对某些软件算法部分进行硬件化来实现特定算法的加速。由于硬件架构设计对具体应用更具针对性,FPGA系统往往可以使用较低的工作频率来达到其他硬件平台需要较高的工作频率才能实现的带宽和性能。这将可能有利于图像处理在嵌入式设备中的应用。本文采用Xilinx公司的Virtex II Pro系列FPGA,完成了一个具有可重构特性的图像处理平台的设计:它结合了FPGA内部嵌入式通用CPU的软件灵活性和针对部分图像处理算法的专有硬件处理单元(知识产权核,简称IP)的高效加速,实现了在图像处理中重要而且广泛使用的线性滤波算法。这种结合,作者认为也是一种实现图像处理平台的较好的方案。首先,通过特定于应用的硬件架构设计,FPGA平台可以实现接近于ASIC的性能;其次,在软件和硬件上的高度灵活性,为其在算法研究领域的应用提供了保证;第三,通过优化设计,完全可以在嵌入式小型设备中实现高性能的图像处理。 【关键词】：图像处理嵌入式系统FPGA 可重构 【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【】：韩明前【目录】： 摘要3-5 ABSTRACT5-9 1 引言9-13 2 数字图像处理基础13-16 2.1 图像变换13-15 2.1.1 二维离散傅里叶变换13-14 2.1.2 二维离散小波变换14-15 2.2 图像滤波15-16 2.2.1 频率域滤波15 2.2.2 空间域滤波15-16 3 科学可视化与三维图形渲染16-19 3.1 科学可视化16 3.2 三维图形渲染技术16-19 3.2.1 重要的渲染方法17 3.2.2 渲染的理论基础17-19 4 基于Virtex- Pro FPGA 的图像处理平台19-27 4.1 Virtex- Pro FPGA19-22 4.2 开发板22-25 4.3 开发环境25-27 5 系统设计27-33 5.1 Virtex-Pro 的嵌入式应用27-29 5.1.1 Ultra-Controller 架构27-28 5.1.2 基于双口存储器实现控制和数据耦合的架构28 5.1.3 基于CoreConnect 的架构28-29 5.2 基于高速PLB 总线的系统架构29-31 5.3 系统详细设计31-33 6 IP 核的设计33-42 6.1 Virtex-Pro 的嵌入式乘法器33 6.2 二维滤波器单元设计33-34 6.3 二维空间滤波器流水线设计34-36 6.4 彩色图像RGB 信号的分离与合并36-37 6.5 边缘像素的处理37-38 6.6 状态机的设计38-42 6.6.1 状态机与PPC405 之间的信息交换38-39 6.6.2 状态机与FIFO 的接口信号39 6.6.3 状态机对空间滤