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一种图像预处理电路设计及FPGA实现

作　者: 迟子铖
导　师: 姚若河
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 预处理电路光照影响直方图均衡化 FPGA
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着信息时代的来临以及人工智能的不断发展,数字图像技术正渗透各个行业。本文在分析现有数字图像系统之后,得到基于CCD的图像处理识别系统的一个共性,即图像受到环境的影响非常大,特别是光照条件的影响。而光照对一帧图像的不均匀性是影响图像识别最主要的问题。在图像预处理电路中如何解决这个问题是本文的主要研究对象。本文是基于CCD的嵌入式图像识别系统,在现有的直方图均衡化法基础上,给出根据图像最大类间方差值,自适应改变解码器量化等级的方法,从原始图像数据着手降低光照对图像的影响。并在工程与实验中总结出经验,对目标图像进行分块,对不同子块采用不同的量化等级来解决光照对整个图像的不均匀性问题。然后采用低通滤波器来去除块效应产生的虚假边缘。相比传统的直方图均衡化法,本预处理电路能在得到均衡化图像灰度的同时不丢失细节信息,较为有效的降低了光照对图像的影响。本文所述的算法采用硬件电路实现。其中包括I2C模块、图像采集模块、直方图均衡化模块和低通滤波模块,以上四个模块均在FPGA内部建立。利用最大类间方差计算电路实现的直方图均衡化模块,该模块分为统计电路和计算电路。统计电路采用多路并行的方式提高统计效率,计算电路采用5级流水线结构来节约计算周期。设计完成后对电路的各个模块进行了仿真验证。I2C模块能达到协议要求的标准模式(100kbit/s)快速模式(400kbit/s)高速模式(3.4Mbit/s),并且数据传输正确。图像采集模块在27MHz的时钟速度下做到不丢帧。直方图均衡化模块完成功能仿真,实现了所述算法。低通滤波模块在优化后能在一个时钟内完成计算,保证了系统高效性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 研究背景  10-11
    1.1.1 图像技术及预处理电路  10-11
    1.1.2 光照影响问题  11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 本文研究内容及安排  12-14
第2章预处理电路的总体设计  14-22
  2.1 预处理算法改进  14-20
    2.1.1 传统直方图均衡化法的缺点  14-16
    2.1.2 调整量化范围  16-17
    2.1.3 图像分块  17-18
    2.1.4 实验数据  18-20
  2.2 系统总体结构  20-21
  2.3 本章小节  21-22
第3章预处理电路的FPGA 实现  22-39
  3.1 I2C 模块  22-26
    3.1.1 I2C 协议简介  22
    3.1.2 位传输  22-23
    3.1.3 传输数据  23-24
    3.1.4 7 位地址格式传输  24
    3.1.5 SAA7113H 的配置  24-26
  3.2 视频采集模块  26-29
    3.2.1 视频格式  26-27
    3.2.2 图像采集模块设计  27-29
  3.3 直方图均衡化模块  29-35
    3.3.1 模块总体设计  29-30
    3.3.2 最大类间方差计算模块  30-35
    3.3.3 调整量化范围  35
  3.4 低通滤波模块  35-38
    3.4.1 低通滤波器  35-36
    3.4.2 低通滤波模块设计  36-38
  3.5 本章小节  38-39
第4章仿真与分析  39-49
  4.1 I2C 模块的仿真及验证  39-41
  4.2 图像采集模块的仿真及验证  41-43
  4.3 直方图均衡化模块的仿真及验证  43-46
    4.3.1 模拟SRAM 模块  43
    4.3.2 双口RAM 初始化  43-44
    4.3.3 SRAM 数据读取  44
    4.3.4 直方图统计  44-45
    4.3.5 灰度统计及累积直方图、灰度统计  45
    4.3.6 5 级流水线计算  45-46
  4.4 低通滤波模块的仿真及验证  46-48
  4.5 本章小节  48-49
总结  49-51
参考文献  51-54
致谢  54-55

一种图像预处理电路设计及FPGA实现

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