基于FPGA的视频图像处理的研究与实现
发布时间：2021-06-22 12:18
数字图像处理泛指利用计算机软件或者新兴的各种硬件微处理器对图像进行处理的各种方法。数字图像处理包括:图像增强、图像复原、图像重建、图像分析、模式识别、计算机视觉[1]。图像缩放作为图像重建的一个分支,在数字图像处理领域发挥着不可或缺的作用,并且广泛应用于医疗、监控、机器视觉等领域。图像缩放的核心是图像插值算法,传统的图像插值处理技术主要是基于软件平台,一般运行在Windows系统的PC机上,虽然如今的PC主频比较高,但是在图像处理时是基于软件的串行化处理方式,在实时性要求高的场合根本无法满足需求。因此怎样将图像插值算法在硬件上实现并且需要运算速度快,满足实时性要求,满足高带宽要求成为图像处理研究的一个重要课题。本文针对上述课题提出了一种基于FPGA的视频图像处理方法,FPGA可以保证在极低的主频下得到比PC软件平台更高的处理速度,利用FPGA的流水线处理技术可以在每个时钟周期下输出运算后的一个像素,实现了完全的并行化处理。本文在深入研究传统插值算法的基础上,采用MATLAB对各个插值算法进行仿真,权衡了芯片硬件资源、算法实现复杂度以及算法实现效果后,最终选取了双线...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sinc函数及其傅里叶频谱图
第二章图像缩放算法研究9从计算过程可以看出此方法非常简单，在硬件实现的速度是会是非常快的，并且也可以节约资源减少设计复杂度，但是该算法仅使用了与待插点最近的像素点并且直接将该点作为待插点的像素值，没有考虑其他像素点对该点的影响，所以该种方法最终生成的图像会有明显的失真，图像会出现块状、马赛克、锯齿等模糊的走样，图像质量损失较大。图2-4是最邻近插值算法插值基函数的空域与傅里叶变换幅度特性图，图2-4最近邻插值算法插值基函数及其傅里叶频谱图由图可以看出，最邻近插值的矩形函数的傅里叶变换频谱是sinc函数[28]。Sinc函数存在很强的波瓣，是一种非常差的低通滤波器，所以最近邻插值算法具有很差的频率响应。由频谱图可以看出在截止频率处通带增益下降到2/≈64%,并且旁瓣峰超过20%，严重差别于理想低通滤波器，所以在插值过程中会出现各种不良的效果。最邻近插值算法适用于对图像处理要求不高、硬件资源有限、对处理速度要求高等情况的场合。2.2.2双线性插值算法双线性插值算法顾名思义是要进行两次线性插值，利用待插像素点周围的四个像素点分别进行水平方向与垂直方向的线性插值，它利用这四个像素点与待插像素点距离这一权值来加权求和计算求出待插点的像素值[29]。双线性插值基函数在水平与垂直这两个方向上都相当于一个三角函数，其插值基函数为：h(x)={1-|x|0≤|x|≤10|x|>1（2.7）
第二章图像缩放算法研究11图2-6双线性插值算法插值基函数及其傅里叶频谱图2.2.3双三次插值算法为了改进双线性插值算法的不足，采用三次多项式来近似sinc函数进行内插计算，此方法称为双三次插值[30-31]。双三次插值算法较双线性插值算法来说是一种更为复杂的算法，该方法利用了待插值点周围4×4个像素点进行计算，不单单是像双线性插值算法只考虑周围的四个像素点，还考虑了各邻近像素点的像素值变化率的影响，由于图像的二维属性，也需要在二维方向上进行三次插值，所以称为双三次插值算法。双三次插值算法的插值基函数为：h(x)={|x|3-2|x|2+1|x|<1-|x|3+5|x|2-8|x|+41≤|x|<202≤|x|（2.9）双三次插值算法的具体计算过程如图2-7所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]数字图像插值算法比较研究[J]. 盛晓艳,龚超. 电脑知识与技术. 2019(08)
[2]图像插值技术综述[J]. 钟宝江,陆志芳,季家欢. 数据采集与处理. 2016(06)
[3]动生电动势与感生电动势浅析[J]. 孙小科. 科技信息. 2012(22)
[4]一种基于Sobel算子和混合有理插值的图像缩放方法[J]. 陈宝国,李宁. 微电子学与计算机. 2012(02)
[5]带参数有理Coons曲面插值的图像缩放方法[J]. 李军成,赵东标,陆永华. 计算机辅助设计与图形学学报. 2011(11)
[6]边缘自适应的四点分段抛物线图像缩放[J]. 丁勇,王翔,严晓浪. 浙江大学学报(工学版). 2010(09)
[7]嵌入式系统发展概述[J]. 韦照川,李德明. 科技信息. 2010(01)
[8]DVB-T移动接收系统硬件设计[J]. 李干富. 中国有线电视. 2006(14)
[9]基于LCD定标器的文本型图像缩放算法研究[J]. 肖建平,邹雪城,刘政林,赵慧波. 华中科技大学学报(自然科学版). 2005(05)
博士论文
[1]高速奈奎斯特模数转换器频域特性测试方法研究[D]. 黄深喜.中南大学 2010
硕士论文
[1]基于FPGA的DDS捷变频控制器的实现[D]. 王家敏.电子科技大学 2019
[2]基于RDP协议的瘦终端中虚拟桌面显示加速研究[D]. 钱小兵.上海师范大学 2019
[3]基于FPGA的视频缩放的设计与实现[D]. 吴以凯.江苏大学 2017
[4]基于FPGA的图像缩放算法的研究及其应用[D]. 罗振.长沙理工大学 2017
[5]基于FPGA的多速率数字信号处理系统的设计与实现[D]. 倪燕华.苏州大学 2015
[6]基于FPGA的视频图像放大处理系统的研究与设计[D]. 王蕾.东北大学 2009
[7]基于柱镜光栅的多视点自由立体显示技术研究[D]. 何赛军.浙江大学 2009
[8]视频图像缩放算法在机载视频技术通用化项目中的应用[D]. 郑俊杰.上海交通大学 2009
[9]视频信号处理芯片中图像缩放模块的研究与设计[D]. 赵雷.天津大学 2007
[10]图像缩放算法研究及其FPGA实现[D]. 林媛.厦门大学 2006
本文编号：3242820
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sinc函数及其傅里叶频谱图
第二章图像缩放算法研究9从计算过程可以看出此方法非常简单，在硬件实现的速度是会是非常快的，并且也可以节约资源减少设计复杂度，但是该算法仅使用了与待插点最近的像素点并且直接将该点作为待插点的像素值，没有考虑其他像素点对该点的影响，所以该种方法最终生成的图像会有明显的失真，图像会出现块状、马赛克、锯齿等模糊的走样，图像质量损失较大。图2-4是最邻近插值算法插值基函数的空域与傅里叶变换幅度特性图，图2-4最近邻插值算法插值基函数及其傅里叶频谱图由图可以看出，最邻近插值的矩形函数的傅里叶变换频谱是sinc函数[28]。Sinc函数存在很强的波瓣，是一种非常差的低通滤波器，所以最近邻插值算法具有很差的频率响应。由频谱图可以看出在截止频率处通带增益下降到2/≈64%,并且旁瓣峰超过20%，严重差别于理想低通滤波器，所以在插值过程中会出现各种不良的效果。最邻近插值算法适用于对图像处理要求不高、硬件资源有限、对处理速度要求高等情况的场合。2.2.2双线性插值算法双线性插值算法顾名思义是要进行两次线性插值，利用待插像素点周围的四个像素点分别进行水平方向与垂直方向的线性插值，它利用这四个像素点与待插像素点距离这一权值来加权求和计算求出待插点的像素值[29]。双线性插值基函数在水平与垂直这两个方向上都相当于一个三角函数，其插值基函数为：h(x)={1-|x|0≤|x|≤10|x|>1（2.7）
第二章图像缩放算法研究11图2-6双线性插值算法插值基函数及其傅里叶频谱图2.2.3双三次插值算法为了改进双线性插值算法的不足，采用三次多项式来近似sinc函数进行内插计算，此方法称为双三次插值[30-31]。双三次插值算法较双线性插值算法来说是一种更为复杂的算法，该方法利用了待插值点周围4×4个像素点进行计算，不单单是像双线性插值算法只考虑周围的四个像素点，还考虑了各邻近像素点的像素值变化率的影响，由于图像的二维属性，也需要在二维方向上进行三次插值，所以称为双三次插值算法。双三次插值算法的插值基函数为：h(x)={|x|3-2|x|2+1|x|<1-|x|3+5|x|2-8|x|+41≤|x|<202≤|x|（2.9）双三次插值算法的具体计算过程如图2-7所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]数字图像插值算法比较研究[J]. 盛晓艳,龚超. 电脑知识与技术. 2019(08)
[2]图像插值技术综述[J]. 钟宝江,陆志芳,季家欢. 数据采集与处理. 2016(06)
[3]动生电动势与感生电动势浅析[J]. 孙小科. 科技信息. 2012(22)
[4]一种基于Sobel算子和混合有理插值的图像缩放方法[J]. 陈宝国,李宁. 微电子学与计算机. 2012(02)
[5]带参数有理Coons曲面插值的图像缩放方法[J]. 李军成,赵东标,陆永华. 计算机辅助设计与图形学学报. 2011(11)
[6]边缘自适应的四点分段抛物线图像缩放[J]. 丁勇,王翔,严晓浪. 浙江大学学报(工学版). 2010(09)
[7]嵌入式系统发展概述[J]. 韦照川,李德明. 科技信息. 2010(01)
[8]DVB-T移动接收系统硬件设计[J]. 李干富. 中国有线电视. 2006(14)
[9]基于LCD定标器的文本型图像缩放算法研究[J]. 肖建平,邹雪城,刘政林,赵慧波. 华中科技大学学报(自然科学版). 2005(05)
博士论文
[1]高速奈奎斯特模数转换器频域特性测试方法研究[D]. 黄深喜.中南大学 2010
硕士论文
[1]基于FPGA的DDS捷变频控制器的实现[D]. 王家敏.电子科技大学 2019
[2]基于RDP协议的瘦终端中虚拟桌面显示加速研究[D]. 钱小兵.上海师范大学 2019
[3]基于FPGA的视频缩放的设计与实现[D]. 吴以凯.江苏大学 2017
[4]基于FPGA的图像缩放算法的研究及其应用[D]. 罗振.长沙理工大学 2017
[5]基于FPGA的多速率数字信号处理系统的设计与实现[D]. 倪燕华.苏州大学 2015
[6]基于FPGA的视频图像放大处理系统的研究与设计[D]. 王蕾.东北大学 2009
[7]基于柱镜光栅的多视点自由立体显示技术研究[D]. 何赛军.浙江大学 2009
[8]视频图像缩放算法在机载视频技术通用化项目中的应用[D]. 郑俊杰.上海交通大学 2009
[9]视频信号处理芯片中图像缩放模块的研究与设计[D]. 赵雷.天津大学 2007
[10]图像缩放算法研究及其FPGA实现[D]. 林媛.厦门大学 2006
本文编号：3242820
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