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作者：

徐飞

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摘要：

在嵌入式实时图像处理应用中,图像旋转广泛地应用于社会生产生活的各个领域,它是很多图像预处理,检测的重要前提.在当今工业应用中,人们要求图像处理系统趋向小型化的同时,对系统的实时性也提出了更高的要求.近年来,随着大规模集成电路的发展,可编程逻辑器件FPGA的内部资源越来越丰富,功能也越来越强大,因此FPGA在当前的嵌入式实时系统中得到广泛应用,同时FPGA凭借其强大的并行处理数据的能力和基于SOPC系统的灵活性在图像处理领域有着很大的优势.图像处理的特点是处理的数据量大,处理耗时,特别是基于嵌入式软核的软件处理速度更是实时系统的一个瓶颈.鉴于此,本文完成了视频图像旋转的FPGA设计与实现. 本文采用基于SOPC系统的软硬件协同设计的思想进行设计,系统包括视频采集模块,视频数据存储模块,视频图像旋转及其硬件加速模块,视频显示模块.对视频图像旋转的FPGA架构进行总体设计,SOPC系统的构建,采用CORDIC算法对旋转矩阵中的正余弦计算进行硬件加速.软件部分包括图像旋转坐标变换和双线性插值算法实现图像旋转.模块之间通过Avalon总线协同工作. 本文设计并实现了15级流水线的优化CORDIC加速器对旋转矩阵中的正余弦计算进行了硬件加速.CORDIC算法模块经过一定的时钟周期就会连续得到输入角度的正余弦结果,利用NiosⅡ的多周期自定义指令来实现它与NiosⅡALU的连接,实现了CORDIC加速器.通过对CORDIC算法的局限进行了优化的FPGA设计,对旋转周期的扩展,反正切函数表存储的优化和模校正因子的简化,在不改变算法精度的前提下,减少了ROM存储单元的使用,扩展了旋转的周期. 最后给出了系统的实验结果,对使用优化的加速器加速之后和加速之前的性能进行比较,系统性能提高了大约26倍,系统得到了加速,提高了系统的实时性,同时还有大量的硬件和存储资源用于其它的设计和应用. 本文的特色在于充分利用SOPC的设计思想和软件的硬件加速思想,将设计的各个模块集成在一块单FPGA处理芯片上,相比于FPGA+MCU的实现方法,较大的节省了系统的资源和开销.此系统参加了2009 Altera亚洲创新设计大赛,获得优胜奖.

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关键词：

图像旋转 硬件加速 自定义指令 SOPC系统

DOI：

10.7666/d.y1669899

被引量：

3

年份：

2010