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西北工业大学明德学院马赛克图像彩色复原的硬件电路设计 答 辩 人： 杜美玉 专 业： 电子信息工程 指导老师：刘燕 论文的背景及意义 图像信息是人类获取的主要的信息之一。图像的采集和处理在现代多媒体技术中占有重要的地位。马赛克图像在图像压缩,解码和数字图像采集系统彩色实时显示方面有重要的作用。 本论文针对经过彩色滤波阵列后的马赛克图像的特点,分析了几种颜色插值算法,使用Cadence完成了以FPGA为核心的硬件电路设计，为适合硬件的彩色插值算法提供硬件平台。 论文主要内容 1.研究彩色复原的几种算法 2.用Cadence软件设计硬件电路 3.PCB的设计 1.彩色复原的算法 1.1双线性插值算法 1.2 适合硬件的插值算法 首先恢复整幅图像的绿色信息。通过计算梯度值来判断在哪个方向插值。然后恢复红色和蓝色通道信息，这两个通道信息是通过判断属于哪个颜色族来插值的。 红色像素点处对蓝色分量恢复: （2）绿色像素点处恢复红蓝分量: 2.用Cadence软件设计硬件电路 目的：在Cadence环境下设计电路，搭建实现算法的硬件 平台。 2.1 FPGA模块 AS下载： JTAG下载： 2.2 数据接收模块 2.3 LDO电源模块 3.PCB的设计 走线层：设计表面两层为走线层，采用Cadence自动走线完成。 * 下图给出了不经任何处理的直接由表面覆盖有Bayer 彩色滤波阵列的图像传感器的输出图像。从上面的局部图中可以清析的观察出Bayer格式的排列。 马赛克图像 Bayer格式彩色滤波阵列 基本思想： 红绿交替组成一行，绿蓝交替组成一行，然后再交替使用红绿行和蓝绿行。 在红色像素点R（3,3）处恢复绿、蓝分量如下： 总结：算法简单，运算速度快并易于实现。但插值 效果较差，用于其他算法研究的基础。 以R34为例 如果αβ 如果αβ 如果α=β （1）红色像素点对绿色分量恢复: ★ 判断梯度检测边界方向 ★ 判断这个颜色处于上下左右哪个颜色族 当绿色像素点处于偶数行时，以G22为例 : 当绿色像素点处于奇数行时，以G33为例 : 优点：1.硬件速度越来越快，能应用于实践操作。 2.采用FPGA来实现图像复原系统能实现处理速度和成 像之间的平衡。 3.Cadence软件。 整体设计原理图 FPGA模块 LVDS数据接收模块 电源模块 1.现场可编程门阵列：可编程输入\输出单元、基本可编程 逻辑单元（LAB与LE）、嵌入式块RAM、丰富的布线源底层功能单元、内嵌专用内核。 2. FPGA片(EP3C25Q240)内有39600个逻辑单元，1134Kb存储单元,126个乘法器和4个锁相环，还有丰富的I/O引脚。 3.核心电压1.2V，锁相环供电电压为2.5V，I/O管脚电压为+3.3V。 AS配置原理图 AS主动串行配置是一种非易失性的存储器。配置芯片收到命令之后，把配置数据发到FPGA中，完成配置过程。 即插即用 JTAG配置原理图 采用LVDS传输—低压差分信号 优点：1.FPGA芯片支持LVDS传输。 2.数据传输过程中抗干扰能力小，减少信号的衰减。 LVDS设计原理图 在本电路设计中通过集成芯片DS90LV032将差分信号转换成TTL信号输出给FPGA进行算法处理。 LDO---低压差线性稳压器 优点：成本比较低而且噪声和静态电流也都比较小 根据EP3C25Q240电流消耗情况，选择了TI公司的 TPS72501及TPS71712分别来实现3.3v、2.5v、1.2v。 2.5v 1.2v 3.3v Vin:1.22v-5.5v。 最低通过电流1A。 Vin:0.9-5.0v。 最低通过电流350mA。 第一层 第四层 电源层：设计中第二层为电源层，分割为5V，3.3V，2.5V， 1.2V。 第二层 接地层：设计中第三层为接地层。通过零欧姆电阻 将模拟地与数字地接通，保证了信号的完 整性并降低了噪声。 第三层 总 结 本文以彩色图像传感器获取的马赛克图像为研究对象，在一些基本算法的基础上分析了一种适用于硬件实现的改进算法。然后以Altera公司的FPGA芯片EP3C25Q240为核心搭建了一个算法处理的硬件平台。在本次论文设计与安排中