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流水线图像旋转ASIC设计与实现

作　者: 赵尧
导　师: 桑红石
学　校: 华中科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 图像旋转 ASIC 流水线定点暂停
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 24次
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内容摘要

图像旋转作为最基本的数字图像处理方法之一,几乎在图像处理的各个方面都有涉及,如用于日常生活中的数码照片处理、用于军事国防领域的电子稳像等。在电子稳像和目标跟踪等应用领域不仅会涉及到图像旋转,而且对图像旋转还有着速度和精度方面的严格要求。本文在分析研究了多种图像旋转算法及其硬件实现结构的基础上,提出了一种实现三步平移双三次插值算法的流水线图像旋转ASIC架构,并完成了算法仿真、体系结构设计、RTL代码设计与功能仿真、FPGA原型验证、逻辑综合与时序分析、可测性设计、版图设计及验证,最后完成流片。与三步平移算法传统硬件实现结构相比,该架构有效缩短了处理时间,大大减少了片上存储器的容量。同时,为了评估架构中因有限字长效应而导致的定点误差,还运用Matlab的定点工具箱完成了架构的定点仿真和误差分析,得出了(三角函数-小数平移量-插值核)17-12-13的优化定点架构。在模块设计阶段,为了缓解外部DSP的工作负荷,为输入异步FIFO提供了可编程的水位。输出接口除了能工作在读写使能信号控制写操作模式下外,还能工作在适用于高速场合的RapidWrite模式。另外,提出了一种适用于内嵌存储器的流水线暂停模型,很好地解决了ASIC暂停时存储器输出数据保持的问题。同时,采用了灵活的容错机制提高ASIC运行的稳定性。最后结合ASIC对片外异步双口SRAM的非独享要求,还实现了片外存储器的共享,最大限度地节约系统开发成本。本芯片可处理的最大图像为690×512(列×行),旋转角度范围-45.0°~+45.0°,角度分辨率0.1°。输入图像位宽为16,在定标系数为Q8(小数点位于16位整型数的第8位)时最大误差低于0.1个灰度等级,平均误差低于0.01个灰度等级。当ASIC核心工作频率为100MHz时,对一幅690×512的图像旋转+45.0°,处理时间约为4.73ms,可满足大多数图像处理系统的性能要求。采用SMIC 0.18um 1P6M 1.8/3.3V CMOS工艺流片,时钟频率可达111MHz,等效逻辑门500K,片上集成44Kbytes RAM,核心功耗约31mW,芯片面积为2.9mm×3.2mm。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
图表索引  8-10
缩略语  10-11
1 绪论  11-14
  1.1 课题背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12
  1.3 本文的研究目标  12
  1.4 本文组织结构  12-14
2 图像旋转算法概述  14-25
  2.1 图像旋转算法概述  14-17
  2.2 图像插值算法概述  17-21
  2.3 误差评估与分析  21-23
  2.4 算法仿真与验证  23-24
  2.5 本章小结  24-25
3 流水线图像旋转ASIC 架构设计  25-36
  3.1 三步平移算法传统硬件实现概述  25
  3.2 流水线图像旋转ASIC 架构设计与实现  25-29
  3.3 定点误差分析与字长优化  29-34
  3.4 性能评估与分析  34-35
  3.5 流水线图像旋转ASIC 架构仿真与验证  35
  3.6 本章小结  35-36
4 流水线图像旋转ASIC 模块设计  36-52
  4.1 中心控制器设计  37-39
  4.2 输入输出接口电路设计  39-44
  4.3 流水线暂停电路设计  44-47
  4.4 错误处理电路  47-48
  4.5 门控时钟电路  48-49
  4.6 片上复位电路设计  49-51
  4.7 本章小结  51-52
5 流水线图像旋转ASIC 物理实现  52-71
  5.1 物理实现流程和结果  52-66
  5.2 FPGA 原型验证  66-69
  5.3 板级测试  69-70
  5.4 本章小结  70-71
6 结束语  71-73
  6.1 全文总结  71-72
  6.2 工作展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
附录1 攻读硕士期间发表的论文  77

流水线图像旋转ASIC设计与实现

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