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基于FPGA的立体视觉实时图像匹配系统设计

作　者: 程号
导　师: 那彦
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 灰度 图像匹配 立体视觉 实时性
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着信息科学的高速发展,立体视觉图像处理技术得到了长足发展。目前,立体视觉图像处理技术被广泛应用于航空航天、汽车电子、医学成像及工业生产等领域中。数字图像处理的特点是处理的数据量大,处理非常耗时,系统的实时性不容易满足。作为立体视觉中的关键技术之一的图像匹配(立体匹配),能否有效地解决该问题严重影响着立体视觉系统的成像性能。本文研究了在FPGA上用硬件描述语言实现了立体图像匹配,通过功能模块的硬件化,解决了视频图像处理的速度问题。随着微电子技术的迅猛发展,FPGA’性能更为优良,资源不断丰富,为立体图像信号处理在算法、系统架构上带来了更为优越的解决方案。本论文来源于某公司的合作项目：双摄像头图像深度映射,即基于FPGA的双目立体视觉的实时立体成像系统的设计与实现。本论文研究的重点主要集中在双摄像头立体匹配功能模块算法的分析、选取和优化,匹配模块构架、实施和仿真验证方案的制定、硬件资源占用/性能分析以及模块功能的实现、功能／时序仿真、测试和模块驱动程序的编写、系统的整合等。区域匹配算法的实质是利用局部窗口之间灰度信息的相关程度,性能在很大程度上要依赖于相似性衡量标准的选择,目前常用的衡量准则有匹配区域内像素的灰度差绝对值求和、灰度差平方求和以及匹配块内像素归一化差值求和等；而这些算法复杂度都很高,需要处理大量的数据,采用通用计算机或数字处理芯片的串行处理方式无法满足高速、实时处理的性能要求,因而需要开发专用的硬件并行处理系统。整个设计都是在QuartusⅡ10.1和第三方仿真软件Modelsim的环境下开发的,在Altera的DE2-115硬件平台上实现。分析结果表明,使用FPGA硬件实现图像匹配处理可以到达对图像分辨率为640*480的视频图像进行每秒至少30帧的处理速度,而且图像匹配精度较高,可应用于双目立体视觉恢复系统当中。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 选题背景  8-12
    1.1.1 立体视觉图像处理的技术发展  9-11
    1.1.2 FPGA的发展  11-12
  1.2 课题研究目标  12-13
  1.3 文章创新点及主要内容  13
  1.4 本章小结  13-14
第二章 双目立体视觉基本理论  14-34
  2.1 计算机视觉理论  14-16
    2.1.1 Marr计算机视觉理论  14-15
    2.1.2 标准立体视觉模型  15-16
    2.1.3 汇聚式立体视觉模型  16
  2.2 立体视觉图像处理  16-23
    2.2.1 图像坐标系  16-17
    2.2.2 线性成像模型中坐标系之间的转换  17-20
    2.2.3 摄像机的标定方法  20-23
    2.2.4 三维信息重建  23
  2.3 视差理论  23-25
    2.3.1 视差矢量  24-25
    2.3.2 视差空间  25
  2.4 立体匹配研究  25-30
    2.4.1 选取合理的匹配基元  25-26
    2.4.2 立体匹配约束  26-28
    2.4.3 确立相似度函数  28-30
  2.5 立体匹配算法  30-32
  2.6 本章小结  32-34
第三章 双目立体视觉实时图像匹配系统开发环境及设计案  34-50
  3.1 QUARTUS Ⅱ开发环境  34-38
    3.1.1 Quartus Ⅱ开发环境介绍  34
    3.1.2 FPGA设计流程  34-37
    3.1.3 Verilog语言介绍  37-38
  3.2 基于FPGA的立体视觉实时图像匹配系统的硬件平台  38-40
    3.2.1 Altera DE2-115开发板  38
    3.2.2 Altera DE2-115开发板硬件资源  38-40
  3.3 区域匹配算法系统描述  40-44
    3.3.1 区域匹配算法系统简介  40-41
    3.3.2 区域匹配算法描述  41-42
    3.3.3 区域匹配过程冗余分析  42-43
    3.3.4 边界处理原则  43-44
  3.4 硬件设计及模块  44-49
    3.4.1 总体结构框图  44-45
    3.4.2 匹配功能模块结构图  45-48
    3.4.3 数据接口及参数控制  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章 立体视觉实时图像匹配系统性能分析  50-56
  4.1 整合匹配功能模块及逻辑仿真  50
  4.2 测试结果  50-54
  4.3 测试结果分析  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章 全文总结与展望  56-58
  5.1 全文总结  56-57
  5.2 课题展望  57-58
致谢  58-60
参考文献  60-64
研究成果  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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