基于FPGA的实时图像处理技术研究

时间：2023-12-31 09:04:00 其他范文收藏本文下载本文

下面是小编给大家整理的基于FPGA的实时图像处理技术研究，本文共5篇，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。

基于FPGA的实时图像处理技术研究

篇1：基于FPGA的实时图像处理技术研究

基于FPGA的实时图像处理技术研究

随着多媒体应用已经普及,相应的数字图像处理也得到了广泛的应用.虽然图像处理的`技术有很多种,但是实时图像处理通常需要巨大的数据吞吐量和运算量.因此专用的硬件或者多重处理技术的并行处理很必要.FPGA特有的逻辑结构单元对实现实时图像处理来说有着先天的优势.本文首先给出了FPGA在图像处理中的简单应用,然后详细介绍了国内外目前的研究现状及其中的关键问题.

作者：唐奋飞作者单位：湘谭职业技术学院,湖南,湘潭,411102 刊名：咸宁学院学报英文刊名：JOURNAL OF XIANNING COLLEGE 年，卷(期)： 29(3) 分类号：P393 关键词：多媒体 FPGA技术图像处理数字图像

篇2：扫描仪图像采集与处理技术研究

扫描仪图像采集与处理技术研究

课题主要内容：① 查阅国内外相关文献做，了解扫描仪图像采集与处理技术研究发展，以及在相关行业中的重要性；② 查阅资料，了解国内外有关书课题关系的现状，及本课题研究的目的、意义和重要性；确定本课题的主要研究内容及其研究方法，设计实验方案、实验步骤并确定数据处理的方法；③ 进行扫描仪为主相关的图像采集与处理技术研究的实验，处理测试并分析实验数据，改善实验方案，做补充实验，分析得出合理的实验结论。④ 论文结果及其分析。总结论文中的结果，分析整个过程所遇到的问题和收获，并且建议相关技术在生产中的重要性以及意义。⑤ 对优化后的技术效果进行客观测试和主观评价。① 对工具书及文献有一定的检索能力；② 能正确且熟练使用办公软件撰写论文并按要求排版；③ 实验方案合理，实验结果或数据可靠，能对论文中的论点提供依据；③ 论文：字数不少于15000字，格式规范、结构合理、行文流畅、逻辑性强；④ 能运用所学印刷基础知识为本课题研究服务，所做研究对印刷等实际生产具有指导作用。题目：扫描仪图像采集与处理技术研究1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写1500～字左右的文献综述1) 研究背景：扫描仪通过数字化输入将照片，图纸等实物数字化，变成计算机可以显示、编辑、存贮的格式，广泛应用于广告设计、现代办公领域、轻印刷、报社、出版社、包装行业乃至蒙庭、学校、个人工作室进行文字录用、文档制作、图文数据库管理、传真、复印、电子函件等领域。扫描仪可以分为两大类，普通扫描仪和专业扫描仪分别适用不同的用途。家庭办公比较适合使用普通扫描仪，专业扫描仪可以适合工程制图、艺术品复制和军事等领域要求，促进了国家信息化的建设，扫描仪出现时间比较早，现在主流平台式扫描仪，价格合理，使用方便，而扫描仪参数调整，原稿设计，后期处理也一直是专业办公系统所需，也是企业必备，在现代社会我们必须注重了解扫描仪，才能在扫描行业中得到优良产品。2) 研究的现状：扫描仪广泛应用于印刷等多领域，是重要的光机电一体化设备。在我国高速发展的今天，很多行业要求对大幅面的资料进行存档，因此对扫描仪的技术需求更是日益增加，同时促进了对扫描仪的研发与生产。而国内电子科技大学的祖力[10]发表了跟扫描仪相关的论文，主要提到扫描仪在图像采集中：CCD的图像采集软件系统的设计与实现，主要是论述基于多 CCD B0 大幅面文档扫描仪软件系统及硬件的体系结构，在大幅面扫描仪软件系统的结构清晰化提出了详细解释，解决了工程扫描仪获取到的大多图像所占内存空间比较大，在图像处理过程中需要进行大量的.运算和内存的分配释放等操作时存在的问题。同时华南理工大学的关振明[11]在扫描仪研究论文中指出针对基于CIS的图像采集处理设备的系统软件进行研究，希望提出一套通用的设计方法。论文设计了相应的系统构架，进行系统任务分配，以及对 SPORT 口主从通信、网口上位机通信等主要模块进行了设计分析。该系统具有高速实时、系统稳定、成本低、开发周期短等优点。该研究成果具有广阔的实际应用前景。扫描仪的主要工作是完成把图像的光信号转换模拟信号，之后再转换成计算机能够识别的数字信号。而扫描到的图像经过采集与原稿的对比，主要评价方式可以通过：分辨率，色彩灰度，CMYK等数据进行分析。在扫描过程中也有图像畸变问题，在这方面的研究周文[1]针对扫描仪误差校正的应用进行了研究提出扫描仪对扫描仪产生误差的原因进行了分析，在研究其变化规律的基础上，提出用分段参数修正的方法对图像进行标定，该方法在对产生畸变误差的原因和特点进行分析的基础上，将从扫描仪获取的图像进行灰度变化和细化处理，通过MFC编程获取标定板上圆心的实际坐标并存储于结构体中，然后将其与标定板的理论圆心坐标进行对比分析，得到扫描仪误差的规律，最后根据误差分布规律，采用分段系数补偿的方法，对扫描图像进行标定，实验结果表明经过误差标定后能够较好地消除图像的畸变误差。扫描在虽然方便实用，但是在扫描色差问题也一直是生产关中受到关注的。为了研究和解决扫描色差问题，按照ICC制定的开放式色彩管理标准，采用一元线性回归算法建立扫描仪色彩修正文件，实现了基于印刷反射的扫描仪色彩管理。将原告各实地色块的实测L*a*b*值与经过扫描仪扫描后得到的L*a*b*值进行对比，在此基础上采用一元线性回归的方法进行拟合，并通过分析不同纸张对扫描仪颜色偏差的影响，建立扫描仪色彩修正模型；完成不同扫描仪色彩修正，这对色彩管理应用以及扫描仪应用水平都有促进意义[8]。根据近四年的中国扫描仪研究年度报告表明扫描仪由于受到新一代的数码相机新科技冲击，原因同样是设备图文采集后与原稿质量评价对比差异的优缺，这就形成了扫描仪与数码相机相互对比的一种竞争状态，数码相机虽然技术先进，但是并未能取代扫描仪，所以现在研究扫描仪在图像采集与其采集后期处理的技术研究，并且跟数码相机系列的新科技对比，也是近年相关学术界研究的重要课题，也是扫描仪发展的规律。3）研究的意义：近几年扫描技术的发展飞速，促进平台式扫描仪的研究，在近时期，对扫描仪的原稿调整与处理工艺的应用研究并不多，究其原因有两点：经济发展飞速，扫描新技术制约了扫描仪技术性设计的发展，扫描仪现多数为简化轻型，大多数研究都是关于扫描仪技术上的改进和校正工艺技术，少有研究专研扫描仪原稿对比以及后期处理最佳效果，同时目前基本更多考虑的是满足一般大众化扫描功能的需求，没有条件在技术调整和工艺上有更高的要求；第二点，虽然在复制图像过程中有很多不同种方法，例数码相机扫描等，而扫描仪相机虽然现在不是主流研究方向，但是我们希望通过自己的研究以及对比，在扫描仪图像采集中与处理中与另外的采集方式，设计原稿并且通过实验来分析，到底如何调整才能使得复制品接近原稿，这一研究在如今新科技扫描方式中既有重要的实用意义，既然平板扫描仪依然占有大部分市场，说明其实用性还是体现其存在的可靠性。本文结合新技术背景下，传统扫描仪如何在当今科技冲击下存在意义，针对图像的特性进行实验分析，得出结论。进行主观评价以及客观评价。

参考文献：周文．扫描仪误差校正的应用研究[J]．现代计算机(专业版)，,5(23):25-60.杨宇翔．图像超分辨率重建算法研究[J]．中国科学技术大学，,10:1-30.段俊欢，基于CIS的图像采集处理设备的硬件设计与实现[D]．华南理工大学，2013:1-75.陈春霞，修连存，高扬．岩心扫描仪相机控制软件系统的研制与开发[J]．现代科学仪器，2014-4:50-54.金志敏．印刷色彩管理研究[D]．齐鲁工业大学，2013:1-78.陈哲．基于原稿颜色的基色选择及分色方法研究[D]．北京印刷学院，2013:1-69.吕茹茹．数码复印机原稿信息采集与处理系统研究[D]．南京林业大学，:1-18.胡媛，司占军．基于印刷原稿的扫描仪色彩管理的研究[J]．中国印刷与包装研究，2011,1(3):1-5.赵松．三维激光扫描仪与数码相机联合标定方法研究[D]．解放军信息工程大学，:1-80. 祖力．CCD的图像采集软件系统的设计与实现[D]．电子科技大学，2012:1-112.关振明．基于CIS的图像采集处理设备的系统软件研究[D]．2013,5:1-75.2. 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案1) 选题依据通过文献与图书馆查阅相关资料，和所学知识印刷工艺等更与扫描仪技术息息相关，了解到扫描仪现研究少有与新数码相机技术工艺上对比，并且研究和提出图像采集与处理的相关方案，更重要的是采集过后，处理图像使得其更接近原稿更需要通过实验验证，数据分析方可运用于生产中，与数码相机对比的优缺点。随着生活水平提高，不同生产对不同扫描技术都有各个需求，如办公室扫描、企业生产扫描、个人资料图文扫描等，这些技术都需要不同的扫描方式，人们对图文采集这一块要求越来越高，多数选择数码相机，但这并未影响扫描仪的存在，根进几年市场报告调查，扫描仪还是占有多数份额，平台式扫描仪还多数用于办公室、企业、政府、学校等场所。本文就印刷技术工艺知识，通过文献研究资料，以平板式扫描仪为主，和数码相机扫描技术进行实验探究扫描性能。后期处理为辅，使扫描仪能在企业生产或生活过程中有一定的帮助，对扫描仪发展能起到一定的建议，能满足人们对不同技术的追求。2) 主要研究内容① 扫描仪主要成像原理和新数码相机的技术区别。② 扫描原稿材料的设计。③ 扫描仪采集研究数据分析。④ 针对扫描仪图像采集分析并且进行优化处理。⑤ 对优化后的技术效果进行客观测试和综合评价。3) 研究思路及方案①查阅文献资料了解扫描仪在生产和生活中应用，它的发展历史、成像原理，以及它的发展历史。②通过市场调研了解扫描仪近几年市场情况、价格等讨论存在意义。③研究扫描仪图像采集中跟现代新数码相机等新技术的对比，找出其技术上的差异并提出原稿设计方案以及后期处理技术概要，并研究出其校正方法。④记录整理实践、理论资料、总结实验对结果进行分析，完成论文。

篇3：GMS气象卫星云图实时数据录取和图像处理

在航天科学飞速发展的今天，卫星观测已成为天气预报和大气科学研究不可缺少的有效手段。它能为工、农业生产，为航海、渔业、林业、水利及军事保障等提供重要的服务。GMS系列气象卫星是由联合国教科文组织资助、日本气象厅负责实施的一个项目。它观测到的云图资料具有实时性好、覆盖面广、信息量大的特点，是我国和东南亚、大洋洲各国进行气象预报、分析的主要依据。在卫星云图的接收、处理系统中，数据的实时录取与保存、事后的图像处理是关键技术。下面论述的是GMS-3卫星云图数据的实时录取与保存、事后图像处理的工作原理、关键技术实现方法。

1GMS-3卫星及其云图资料简介

GMS-3气象卫星静止于东经140度赤道上空，卫星自转的速度为100转/分，自转过程中有20度针对地球扫描获取云图数据，240度对空扫描，对空扫描期间将刚获取的云图资料传输给地面设备。卫星自转一圈扫描获取的数据称为一帧，根据转速可以计算出每帧数据的扫描及传输，为（60秒/100转）=600ms。卫星扫描步进方向为自北向南，对地球全部扫描一遍约2300帧数据。

GMS-3卫星云图每帧的数据结构如图1所示。

每帧云图数据由9个数据段组成。

同步段由20000bit帧同步码组成，主要用于帧同步，不需保存。

IR1、IR2、IR3段为红外云图数据，GMS-3只用于其中IR1段，IR2、IR3保留备用。IR1由2291个字组成，每个字代表一个卫星扫描的象素点，灰度等级为256级。IR1共有2291字节数据。

V1、V2、V3、V4为可见光云图数据，GMS-3云图中，可见光的分辨率为红外的4倍，所以V1、V2、V3、V4每个数据段均有数据，其字数应为2291+2291+（9164×4）=41238字节，约为42KB，传输速度为660Kbit/s，扫描地球表面一次数据量为41238×2300=94847400字节，约95MB。

2云图数据的实时录取

当卫星接收机收到卫星发来的高频信号后，首先对它进行高频、中频放大及调解、解码处理，撮出云图图像数据及帧同步脉冲、字同步脉冲、位同步脉冲等信号。由于GMS-3云图信息是一个660Kbit的数据流，数据量高达95MB，所以应当对云图接收机发来的数据进行前置预处理。预处理的'主要作用是对接收机发来的数据进行提取、缓冲，去掉一些无用的重复数据。本文介绍的云图处理系统，以一片Intel8086CPU为核心组成一个16位专用单板机，其框图如图2所示。

接口及同步电路主要用于对接收机送出的信号进行帧同步和串并转换，然后以16位DMA的方式将数据存入缓冲存储器中。存储器分两个部分，RAM1和RAM2。接收数据时，将一帧数据首先放入RAM1或RAM2中的一个中，例如RAM1中，当一帧数据接收并处理完后，Intel8086CPU控制总线接口电路向主机发出取数据请求，并将保存最近一帧数据的RAM1存储器的控制权交给主机，同时做好下一帧数据存入另一存储器RAM2中的准备。用这种双缓冲存储器方式，可以使数据预处理与主机对云图的处理并行进行，大大节省了主机的资源开销，可实现云图的实时显示。

3云图数据的实时存储

由于GMS-3卫星云图数据量大、传输速度高，采用一般的文件读写方式不能完成数据的实时存盘要求，必须绕过操作系统的文件组织结构，直接对磁盘上的磁道进行寻址和读写操作。图3所示为磁盘上的磁道、扇区组织形式。操作系统通常以扇区为单位进行读/写访问，即一次读/写一个扇区。一扇我通常为512字节，0.5KB，读写一个扇区一般要1.5ms，磁头在磁道间移动的定位时间，即平均寻道时间为10ms。假设操作系统每读/写一个扇区后均需重新定位磁道，则存储一帧42KB数据所花的时间为（42/0.5）×（10+1.5）=966ms，超过了卫星发一帧数据的时间600ms。若在程序中直接控制磁头定位到某一磁道，然后连续写完该磁道上的所有扇区，再去寻找下一空磁道，则假设每一磁道有17个扇区，那么一个磁道上就保存17/2=8.5KB数据，花费时间（17×1.5）+10=35.5ms。保存一帧数据约需访问（42/18.5）约为5个磁道，所需时间为35.5×=177.5ms，大大小于600ms，完全满足了实时存储的要求。

4主要图像处理功能

GMS-3卫星云图含有丰富的信息，对它的图像进行各种处理，可以获取许多有用的资料。下面简述几项常用的主要功能。

（1）加伪彩色

GMS-3云图所获取的是红外和可见光的灰度等级。红外的灰度等级为256，人眼较难区分，可将红外云图用8种颜色，每种颜色32个灰度等级在CRT上显示出来，便于观察分析。

（2）漫游、放大、缩小功能

由于云图全景为一个2300×2300的矩形，在屏幕上不易按1：1的比例显示出来，因此，图像处理中设计了漫游、放大、缩小等功能，以便能对云图的全局或局部进行观察、分析。

（3）动画显示

可连续显示多幅不同时间的卫星云图，从中可以看出天气系统的变化过程，并可进行风场演推等分析计算。

（4）网络及地标处理

网络指经纬度网络。GMS-3卫星通过边扫描边标定自身位置和姿态的方式，获取一组经、纬度线相交点对应图像象素的数据，它不完全等同于地图上的经纬度坐标。根据这组数据在云图上可画出经纬度网格线，提高对天气系统的观测精度。同时，对海岸线、国境线、江河等地理位置，也作了修正处理。

本文以GMS-3为例介绍了一种气象卫星云图微机处理系统的方法及主要功能、关键技术。它以较低廉的成本实现了高速度、大容量数据的处理，较好地满足了各方面的要求。

篇4：DMA在实时图像处理中的应用

DMA在实时图像处理中的应用

摘要：以TMS320C6701为例，说明在实时图像处理系统中使用DMA的必要性，同时给出DMA在实时图像处理中几种典型的应用例子。

关键词：DMA实时图像处理DSP

引言

实时图像处理系统要求系统必须在有限的时间内完成大量数据的运算。DSP以其独特的哈佛总线结构和并行的存储块结构，将乘法操作与加法操作统一考虑，可以在一个指令周期完成般处理器的多次运算；并且指令系统采用多级流水线操作方式，保证了系统对实时性的要求，因此得以在实时图像处理系统广泛应用。图像处理系统的最大特点就是运算数据量大。大多数情况下，数据量远远大于片内存储器容量，计算过程中必须进行数据的交换。合理使用DMA可以提高数据传输效率，取得事半功倍的效果。本文以TMS320C6701（简称C6701）为例，介绍DMA在图像处理中的几种典型应用。

1图像处理系统特点与使用DMA的必要性

前面已经提到，图像处理系统的最大特点是就是运算数据量大，数据量往往大于片内存储器容量。不仅如此，图像处理系统之中，运算过程产生的中间数据往往与源数据大小相当，这也限制了片内高速存储区的使用。然而为了提高处理的速度，计算源数据、中间数据必须尽可能多地在片内高速存储区进行，因此，必须使用DMA在片内高速存储区与片外低速存储区之间进行数据交换，以提高数据处理速度。

另外，数据的排列往往不符合程序的要求；必须对数据进行重排达到程序要求；使用DMA对数据重排，可以满足程序要求。与数据重排如出一辙，图像处理中许多操作的基础都是对多重数组的操作，也就是矩阵运算。诸如求逆、取子图等图像处理中经常用到的运算，也可以通过DMA完成。这些运算当然可用C语言编程实现，但是，如果程序实现是一个多重循环，不利于软件流水，而且随着数据量的增加，消耗的时钟周期也会成比例增加；即使使用并行汇编在时钟消耗上可以有所减少，这都是不符合系统实时性要求的。如果通过DMA数据重排，可以轻而易举地实现，而且这个过程CPU只占有一个时钟周期，通过巧妙程序安排，安全可以使数据的传输过程在CPU的后台进行，根本感觉不到DMA的存在。

2C6x系列DMA简介

TMS320C6701S是TMS320C6000系列的高速浮点数字信号处理信号，是TI公司20世纪90年代后期的最新一代DSP产品。C6701有4个通道自加载的DMA通道，用于数据的DMA传输；另外，1个辅助DMA通道，负责与主机通信。DMA通道可以在没有CPU参与下完成映射空间的数据传输。数据的传输可以是片内存存储器、片内外围部件或外部器件之间的传输。

2.1DMA控制寄存器

对于C6x系列的DMA，在使用任何一个DMA通道进行数据传输前，都必须设置以下几组寄存器。各寄存器及其功能如下：

*主控寄存器（primarycontrolregister）――用于控制DMA状态及传输类型；

*副控寄存器（secondarycontrolregister）――用于使能CPU中断，监视DMA通道状态；

*传输计数寄存器（transfercontrolregister）――用于记录传输的单位数目；

*源地址寄存器（sourcecontrolregister）――传输的起始地址

*目标地址寄存器（destinationcontrolregister）――传输的目的地址；

此外，DMA通道可以使用以下全局DMA寄存器，以完成比较复杂的传输过程：

*全局地址寄存器组（globaladdressregisterA、B、C和D）;

*全局索引寄存器组（globalindexregisterA和registerA和B）。

全局地址寄存器组共有4个32位寄存器，其作为分裂地址或地址重载值。全局索引寄存器2个32位寄存器。每个寄存器含2个控制域，其中高16位为帧索引域（FRAMEINDEX），其值为帧间的地址偏移量，也就是传输完1帧后，地址的调整量；低16位为数据单元索引域（ELEMENTINDEX），其值为帧内地址偏移量，也就是每传输完1个数据单元的地址调整量。全局计数重载计数器与全局索引寄存器结构一样，用于重载DMA通道的传输计数寄存器。全局DMA寄存器可以为任意DMA通道使用，而且同一寄存器可以同时被一个以上的DMA通道使用。

2.2DMA工作过程简介

DMA是十分复杂的系统，限于篇幅，这里只简要介绍DMA的工作过程。

在C6000系列DMA中，把所传输的一定数量的数据单元（ELEMENT）称为帧（FRAME），帧的大小由传输计数寄存器的低16位数据即单元计数域（ELEMENTCOUNT）指定，该寄存器的值通过传输计数寄存器的高16位即帧计数域（FRAMECOUNT）指定。当完成1次DMA读操作，ELEMENTCOUNT值自动域1；当最后1个数据单元读操作完成时，FRAMECOUNT自动减1，此时ELEMENTCOUNT的

值将被全局计数重载寄存器的ELEMENTCOUNT更新；当最后1帧的读操作完成后，传输计数寄存器将被全局计数重载寄存器的值更新。

DMA控制器负责对每个通道的读写传输进行地址计算。在计算机传输地址时，有基本调整和使用全局索引寄存器进行调整2种方式：基本调整是指通过控制域SRCDIR和DSTDIR来设置传输地址，按数据字长大小（由ESIZE控制）递增、递减或保持不变；而使用全局索引寄存器调整与基本调整不同，这种模式下，根据传输的数据元素是否当前帧的最后一个来进行地址调整。

在全局索引寄存器调整模式下，地址调整值由全局索引寄存器控制。全局索引寄存器含2个控制域，其中高16位为帧索引域（FRAMEINDEX），其值为帧间的`地址偏移量，也就是传输完1帧后的地址调整量；低16位为数据单元索引域（ELEMENTINDEX），其值的帧内地址偏移量，也就是每传输完1个数据单元的地址调整量。

3几种典型的DMA操作及其应用

3.1块移动

块移动能够将1块连续数据块从一个地址传输到另一个地址，通常用于将数据或程序从外部存储器移到内部存储器。这种块移动是最简单、最常见的DMA工作方式。例如，将1块1K连续的32位数据块从外存（0x0000）移动至内存（0x80000000），如图1所示。