基于FPGA的视频展示台贝尔图像插值模块设计

发布时间：2017-10-02 10:21

  本文关键词：基于FPGA的视频展示台贝尔图像插值模块设计

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【摘要】：近年来,视频展示台已经越来越广泛地被应用到人们的日常工作中,尤其是在一些会议、展览以及教育教学中发挥了重要作用。它基于光电转换技术,能够将可示文件、实物、过程等信息转换为视频信号输出在投影仪等一些显示设备上。在视频展示台的图像采集部分,由图像传感器采集得到的原始图像是基于贝尔(bayer)模板的,图像信息丢失严重,而根据客户需要在图像显示部分则要输出多种格式的图像信号,并在此基础上实现多种功能,因此必须将图像丢失的信息恢复出来。在目前的视频展示台设计中这一过程都是利用专用的DSP芯片来实现,不仅成本高,芯片的核心算法都掌握在一些发达国家手里,而且对视频展示台特定的应用场合,算法并不能完全满足应用。因此,设计一些好的算法并将这些算法在硬件平台上实现制成专用IC芯片,对于视频展示台生产商具有重要意义和商业价值。 本文采用CMOS图像传感器来采集图像信号,在FPGA平台上对其输出的贝尔图像信号根据梯度相关性算法进行处理,并将插值后的图像在数字显示设备上输出,完成了基于FPGA的视频展示台贝尔图像插值模块的设计。该系统有三大特点：其一,FPGA控制‘中心通过12C总线初始化并控制CMOS输出贝尔图像,插值后的图像采用分辨率为1280×1024/60帧的DVI接口输出,满足高分辨率输出的要求。其二,通过本文的插值算法,重构图像质量有了明显提高,且算法复杂度没有像传统迭代法和非迭代法那样涉及到复杂的矩阵运算和非线性操作,易于实现。其三,在重构图像后端,还设计了图像存储模块,用户可以将希望保存的图像存储下来,用于分析等操作。图像传感器用的是美光公司130万像素的MT9D111CMOS图像传感器,FPGA采用的是Xilinx公司的virtex-5系列芯片。 本系统主要由四部分组成：贝尔图像采集模块、图像插值模块、图像输出模块和图像存储模块。通过12C总线对图像传感器进行初始化,按照本系统的要求设置图像传感器的工作模式寄存器值为bypass模式时输出贝尔图像；图像输出接口是DVI接口。借助Xilinx公司的ISE10.1开发环境及Verilog HDL语言完成了各个模块的程序设计。 最后对恢复的全彩图像从主客观两方面进行了分析,其平均信噪比可达37.46dB,主观上重构的图像质量也较高。因此整个系统完成了贝尔图像的基于梯度相关性插值处理,可以移植到基于FPGA的视频展示台设计中,具有广泛的实用价值。
【关键词】：视频展示台 贝尔图像 梯度相关性 插值算法 FPGA
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN946.1;TP391.41
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 论文的研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 贝尔图像插值算法的国内外研究现状11-12
• 1.2.2 图像处理系统的几种常用方法比较12-13
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排13-16
• 1.3.1 论文的主要研究内容13-14
• 1.3.2 论文结构安排14-16
• 第二章 视频展示台组成及结构分析16-22
• 2.1 视频展示台的组成及功能16-17
• 2.2 视频展示台设计整体结构17-18
• 2.3 基于海思Hi3515的视频展示台18-19
• 2.3.1 基于海思Hi3515视频展示台的系统组成及功能18-19
• 2.3.2 海思Hi3515核心处理器19
• 2.4 视频展示台中的贝尔图像插值模块19-20
• 2.5 本章小结20-22
• 第三章 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法22-32
• 3.1 贝尔模板22-23
• 3.2 贝尔图像插值算法23-26
• 3.2.1 双线性贝尔图像插值算法23-24
• 3.2.2 边缘自适应贝尔图像插值算法24-26
• 3.3 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法26-29
• 3.3.1 贝尔图像R位置和B位置G分量的计算26-27
• 3.3.2 贝尔图像R位置B分量和B位置R分量的计算27-28
• 3.3.3 贝尔图像G位置的R值和B值的计算28-29
• 3.4 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法的硬件可行性分析29-30
• 3.4.1 硬件资源需求分析29-30
• 3.4.2 计算复杂度分析30
• 3.5 本章小结30-32
• 第四章 FPGA及图像传感器的芯片选型32-42
• 4.1 FPGA的工作原理、结构及开发流程32-34
• 4.1.1 FPGA的工作原理32-33
• 4.1.2 FPGA的芯片结构33-34
• 4.1.3 FPGA开发流程34
• 4.2 FPGA开发环境ISE10.1及Verilog HDL语言简介34-36
• 4.2.1 开发环境ISE10.134-35
• 4.2.2 Verilog HDL硬件描述语言35-36
• 4.3 Xilinx公司Virtex-5系列FPGA器件分析及选型36-37
• 4.3.1 Xilinx公司Virtex-5系列FPGA器件分析36
• 4.3.2 FPGA芯片选型36-37
• 4.4 图像传感器的分类及选型37-40
• 4.4.1 图像传感器的分类37-39
• 4.4.2 图像传感器的选型39-40
• 4.5 本章小结40-42
• 第五章 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法在FPGA上的实现42-68
• 5.1 系统设计整体框架及模块划分42-43
• 5.2 贝尔图像采集模块设计43-50
• 5.2.1 图像传感器初始化I~2C模块设计45-46
• 5.2.2 图像采集控制模块设计46-48
• 5.2.3 图像缓存模块设计48-50
• 5.3 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法实现模块设计50-53
• 5.3.1 基于梯度相关性的贝尔图像插值算法实现模块设计50-53
• 5.3.2 特殊像素点处理53
• 5.4 DVI输出模块设计53-61
• 5.4.1 SDRAM图像缓存模块设计53-57
• 5.4.2 DVI控制器模块设计57-61
• 5.5 Flash存储模块设计61-64
• 5.6 实验与分析64-66
• 5.6.1 图像质量评价标准64
• 5.6.2 实验结果与分析64-66
• 5.7 本章小结66-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孙成志;解梅;傅海东;;基于FPGA的图像采集模块设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2008年11期

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3 张博;张刚;;串行Flash在图像存储系统中的应用[J];电视技术;2011年23期

4 陈明义;连帅军;周建国;;基于FPGA的FLASH控制器系统设计及实现[J];电子科技;2008年07期

5 张健浪;数码相机形成CMOS阵营[J];个人电脑;2005年10期

6 杜娟;;一种基于FPGA的高速图像采集及显示电路设计[J];工业控制计算机;2010年11期

7 张起贵;赵丽娟;;基于FPGA的贝尔图像插值算法实现[J];科学技术与工程;2012年35期

8 王婷;童维勤;马飞;;基于FPGA的视频预处理系统的建模与仿真[J];计算机工程与设计;2011年01期

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10 梁广俊;张博;程永强;张刚;;高分辨率数字视频展台系统设计[J];太原理工大学学报;2008年S1期

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本文编号：959075