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基于小波变换的图像匹配算法硬件设计与实现

作 者: 李琪
导 师: 张岩
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 图像匹配 小波变换 NCC FPGA GPU
分类号: TP391.41
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 52次
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内容摘要


图像匹配是一项十分重要的技术,在模式识别等多个领域有着广泛的运用。随着科技的迅猛发展,很多运用场合不仅对图像匹配的精度有要求,还对图像匹配算法的实时性要求很高。因此,在保证图像匹配精度的前提下,如何最大程度的减少图像匹配的时间是一个很有意义的研究方向。基于图像灰度的匹配算法是本论文的主要研究方向,从以下三个方面开展研究和设计工作:首先,对目前应用较多的图像匹配相似性度量函数和搜索策略进行研究,分析各自的优缺点,用Visual C++编程语言完成了其中的几种图像匹配算法设计并进行图像匹配测试。本文设计的基于小波变换的图像匹配算法,粗匹配和精匹配的相似性度量函数分别为Adaptive SSDA和NCC,采用金字塔搜索策略。使用Visual C++编程语言完成基于小波变换的图像匹配算法设计,并在不同条件下对本次设计的算法进行匹配性能测试。其次,设计并实现基于NCC的图像匹配的硬件计算结构。在Modelsim和ISE10.1的工作平台上使用Verilog硬件描述语言完成硬件计算结构的设计工作,并对设计的结构进行功能仿真和逻辑综合等工作,最后在Xilinx Virtex-2XC2VP30FPGA开发板上进行调试。最后,提出基于小波变换的图像匹配的硬件结构,使用GPU实现小波变换,粗匹配和精匹配的相似性度量函数都采用NCC,并设计适用于金字塔搜索策略的NCC的并行计算结构。使用Verilog硬件描述语言完成适用于金字塔搜索策略的NCC结构设计,在Modelsim和ISE10.1平台上完成功能仿真、逻辑综合等工作,最后在Xilinx公司的Virtex-2XC2VP30FPGA开发板上进行板级调试。通过比较图像匹配测试数据可以看出,基于小波变换的图像匹配算法的匹配性能(匹配精度、匹配时间)要比其他几种参考匹配算法好。为了更好的满足运用场合对图像匹配算法实时性的要求,本文提出了两种匹配算法的硬件结构,通过Modelsim功能仿真结果和ISE10.1的综合报告可以看出,两种结构在匹配性能有了进一步的提升。在模板图像尺寸为32*32,待匹配图像尺寸为256*256的情况下,基于NCC图像匹配硬件架构耗费13.1ms就能完成正确的匹配,基于小波变换的图像匹配硬件架构,在进行一次小波变换的情况下,耗费6.8ms完成正确的匹配。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-12
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 课题研究的目的和意义  10
  1.4 主要研究内容和论文结构  10-12
第2章 图像匹配算法及设计综述  12-19
  2.1 模板匹配  12
  2.2 几种基于灰度的匹配算法  12-15
    2.2.1 平方差与平均平方差算法  13
    2.2.2 归一化相关系数  13-14
    2.2.3 自适应序贯相似性检测算法  14-15
  2.3 几种匹配搜索策略  15-16
    2.3.1 遗传算法搜索策略  15
    2.3.2 金字塔搜索策略  15-16
  2.4 软件测试  16-17
  2.5 本章小结  17-19
第3章 基于小波变换图像匹配算法的设计  19-27
  3.1 小波变换与多分辨率分析  19-23
  3.2 基于 2D-SMDWT的图像匹配算法设计  23-26
  3.3 本章小结  26-27
第4章 基于NCC图像匹配硬件设计与实现  27-47
  4.1 NCC并行计算架构  27-30
  4.2 时序控制模块  30-40
    4.2.1 ORAM ADDR模块  31-32
    4.2.2 RRAM ADDR模块  32-33
    4.2.3 ROM ADDR模块  33-34
    4.2.4 RAM阵列片选和写使能控制模块  34-35
    4.2.5 MUX SEL模块  35
    4.2.6 Control Singal模块  35-40
  4.3 运算单元  40-43
    4.3.1 整数乘法器  40-41
    4.3.2 多操作数加法器  41-42
    4.3.3 浮点运算单元  42-43
  4.4 VGA显示控制器  43-44
  4.5 FPGA仿真综合及实现  44-46
  4.6 本章小结  46-47
第5章 小波变换图像匹配硬件设计与实现  47-73
  5.1 基于GPU实现的 2D-SMDWT  47-53
    5.1.1 CUDA及其编程模型  47-48
    5.1.2 CUDA存储器模型  48-50
    5.1.3 分离卷积  50-52
    5.1.4 实验结果及分析  52-53
  5.2 适用于金字塔搜索策略的NCC并行FPGA结构  53-69
    5.2.1 时序控制模块  54-68
    5.2.2 Scc和S2cc计算模块  68-69
  5.3 FPGA仿真综合及实现  69-71
  5.4 本章小结  71-73
结论  73-75
参考文献  75-81
致谢  81

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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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