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基于FPGA的灰度图像模板匹配并行处理研究

作　者: 李小伟
导　师: 曹计昌
学　校: 华中科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 模板匹配可编程逻辑器件分治策略并行处理模型
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

模板匹配广泛应用于图像处理及信号处理领域。科学技术的飞速发展使得图像模板匹配处理的规模越来越大，更重要的是人们对实时图像处理的需求也越来越高，因此，采用通用处理器来实现实时图像的模板匹配，速度已经成为该技术的瓶颈。此外，对于一些优秀的图像模板匹配算法，其在台式机、工作站上可以正常运行，而将它们应用于嵌入式系统中，由于速度、资源的限制，对其进行简化后，效果不是很理想，有的甚至不能正常运行。可编程逻辑器件是一种可编程、功能强的逻辑器件，它的高灵活性、可配置性和高性价比与及支持并行和流水的系统设计为实时图像处理领域提供了一个理想的平台。因此，可以将FPGA应用于图像的模板匹配来实现资源受限情况下的实时图像并行处理。首先，对传统的基于滑动窗口的模板匹配算法的特点进行了分析，得出其是一个串行的、复杂的四重循环过程；并对FPGA的基本概念和设计方法、并行处理技术进行了分析，提出了4种基于分治策略的图像模板匹配并行处理，这四种策略包括：图像不分块，模板不分块、图像分块，模板不分块、图像不分块，模板分块、图像分块，模板分块。其次，针对这四种基于分治策略的图像模板匹配并行处理方法，分析了它们各自的时间复杂度和实现复杂度；通过对这四种策略的优、缺点进行对比和分析，选择了图像不分块，模板分块的并行处理策略，并在此策略上分析和设计了二值图像模板匹配并行处理的工作原理及体系结构，提出了基于FPGA的二值图像模板匹配并行处理模型，该模型包括3个部分：子模板划分、并行处理、全局匹配。然后，为了将基于FPGA的二值图像模板匹配并行处理模型应用于灰度图像的模板匹配，设计和实现了基于FPGA的RS232串口通信以及基于FPGA的双峰直方图二值化；得到二值图像后，用硬件电路和VHDL语言实现了基于FPGA的二值图像模板匹配并行处理模型。最后，对各个功能模块及整个系统的功能进行了波形仿真，波形仿真都正确后将VHDL代码在集成开发环境ISE9.2进行了综合并下载到FPGA芯片上进行验证。通过将实验结果与在PC机上运行的软件算法进行对比和分析，实验结果表明，基于FPGA的灰度图像模板匹配并行处理具有较好的加速比。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题背景、目的及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
  1.3 本课题的主要研究内容及任务  15-17
2 图像模板匹配处理的相关技术分析  17-27
  2.1 基于滑动窗口的传统模板匹配算法  17-18
  2.2 FPGA 基本概念与设计方法  18-21
  2.3 图像并行处理技术  21-24
  2.4 基于 FPGA 的图像模板匹配并行处理  24-26
  2.5 本章小结  26-27
3 基于FPGA 的二值图像模板匹配并行处理模型  27-37
  3.1 基于分治策略的二值图像模板匹配并行处理分析  27-30
  3.2 二值图像模板匹配并行处理的工作原理及体系结构  30-31
  3.3 二值图像模板匹配模型相关定义  31-32
  3.4 二值图像模板匹配并行处理模型  32-36
  3.5 本章小结  36-37
4 基于FPGA 的灰度图像模板匹配并行处理设计与实现  37-57
  4.1 基于 FPGA 的灰度图像输入输出设计与实现  37-43
  4.2 基于 FPGA 的灰度图像二值化设计与实现  43-48
  4.3 基于 FPGA 二值图像模板匹配并行处理模型实现  48-56
  4.4 本章小结  56-57
5 功能模块仿真与 FPGA 验证  57-68
  5.1 实验开发环境及组织  57
  5.2 主要功能模块仿真  57-61
  5.3 二值图像模板匹配功能仿真  61-62
  5.4 FPGA 综合验证及实验分析  62-66
  5.5 本章小结  66-68
6 总结与展望  68-70
  6.1 全文总结  68-69
  6.2 研究展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-76
附录1 攻读硕士学位期间申报的发明专利目录  76-77
附录2 攻读硕士学位期间发表的论文目录  77

基于FPGA的灰度图像模板匹配并行处理研究

内容摘要

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