基于FPGA的实时视频去雾系统的研究与实现

发布时间：2017-04-18 09:13

  本文关键词：基于FPGA的实时视频去雾系统的研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,工业技术快速发展导致环境恶化加剧,雾霾天气逐渐增多,较严重地影响社会生产和生活秩序。雾天图像的清晰化处理作为图像预处理的重要环节之一,对图像处理和计算机视觉等领域有着非常重要的影响,图像去雾的研究渐成热点之一。随着计算机及半导体等技术的发展,人们对视频处理设备提出了小型化、实时化、高清化等要求,如何在保证视频去雾效果的同时保证视频的高清化、实时化是一个重要的研究方向。本文首先分析了去雾方法目前所具有的现实意义和应用价值,介绍了国内外在该领域的研究现状,对视频去雾系统进行了总体方案设计。针对视频去雾系统中的视频输入输出、图像帧缓冲以及内部总线接口等各个子系统进行了详细的方案对比与论证,设计了视频去雾系统的电路与逻辑框架。其次,详细阐述了基于暗通道先验的单幅图像去雾算法原理,分析了算法中各部分的运算量,在保证去雾效果的前提下对暗通道计算等运算量较大的模块进行改进与优化,减少了图像去雾算法的运算复杂度。接着,在FPGA上利用Vivado HLS高层综合工具实现了暗通道先验图像计算、雾天透射率图像计算和去雾图像生成等模块的逻辑电路,高效地完成了图像去雾算法的移植。根据视频时域连续性的特点,设计了视频去雾辅助算法以解决图像去雾算法处理视频过程中存在的视频闪烁等问题,并采用软硬件联合处理方法实现了视频去雾算法。随后,分析了视频去雾系统中外部帧缓冲存储接口、去雾算法模块、视频输入输出以及内部总线接口等关键模块存在的高延迟与低吞吐量等性能瓶颈,分别对它们进行了优化,减少了各模块的传输延迟并增加了其传输带宽,扩展了视频去雾系统对720P高清实时视频处理的支持。最后,采用RTL仿真的方法对基于FPGA的图像去雾算法进行验证,并对实际系统中的各个模块进行功能测试,给出了视频去雾系统进行高清视频去雾处理前后的效果对比图。测试结果表明,系统实现了预期的高清实时视频去雾功能,并且具有效果良好、自适应去雾等特点。
【关键词】：视频去雾 FPGA 实时 720P 暗通道先验
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN791;TN919.81
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与趋势10-12
• 1.3 课题主要工作与安排12-14
• 1.3.1 论文主要工作12
• 1.3.2 论文结构安排12-14
• 第二章 系统总体方案设计14-27
• 2.1 实时视频去雾系统总体方案设计14-15
• 2.2 视频输入输出接口15-18
• 2.3 图像帧缓冲存储接口18-22
• 2.4 内部总线接口22-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第三章 单幅图像去雾算法研究27-36
• 3.1 大气散射与成像27-29
• 3.1.1 大气散射原理27-28
• 3.1.2 大气散射模型28-29
• 3.1.3 雾天降质图像特点29
• 3.2 基于暗通道先验的图像去雾方法29-34
• 3.2.1 暗通道先验29-30
• 3.2.2 传递函数的估计30-31
• 3.2.3 传递函数的优化31-32
• 3.2.4 大气光估计32
• 3.2.5 有雾图像的恢复32-33
• 3.2.6 实验结果对比33-34
• 3.3 本章小节34-36
• 第四章 基于FPGA的视频去雾算法设计与实现36-55
• 4.1 视频去雾辅助算法设计36-38
• 4.1.1 大气光强度的优化36-37
• 4.1.2 去雾程度设定37
• 4.1.3 去雾功能的自动开关37-38
• 4.2 视频去雾算法实现总体方案设计38-42
• 4.2.1 视频处理模块的输入输出交互38-40
• 4.2.2 算法的软硬件联合实现40-41
• 4.2.3 总体方案实现41-42
• 4.3 逻辑方案设计42-51
• 4.3.1 高层综合工具简介42-43
• 4.3.2 Vivado HLS视频处理框架43-45
• 4.3.3 暗通道先验图像计算模块45-47
• 4.3.4 雾天透射率图像计算模块47-49
• 4.3.5 去雾图像生成模块49-51
• 4.4 软件方案设计51-53
• 4.4.1 大气光参数计算51-52
• 4.4.2 去雾程度调节52-53
• 4.4.3 去雾功能的自动开关53
• 4.5 本章小结53-55
• 第五章 高清视频去雾系统的设计与优化55-60
• 5.1 外部帧缓冲存储接口的设计与优化55-56
• 5.1.1 统一总线接口55-56
• 5.1.2 优化总线协议56
• 5.2 高清视频去雾算法的设计与优化56-57
• 5.2.1 除法运算的优化56
• 5.2.2 内存访问的优化56-57
• 5.3 高清视频输入输出流水线的设计与优化57-58
• 5.4 系统全局互联的设计与优化58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第六章 系统仿真与测试60-66
• 6.1 去雾算法的RTL仿真60-61
• 6.2 实际系统测试61-64
• 6.2.1 测试环境搭建61-63
• 6.2.2 功能测试63-64
• 6.3 本章小结64-66
• 第七章 总结与展望66-68
• 7.1 本文工作总结66-67
• 7.2 工作展望67-68
• 参考文献68-70
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文70-71
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目71-72
• 致谢72

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本文编号：314529