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基于FPGA的数字图像处理原理及应用

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标签: FPGA

FPGA

本书首先介绍FPGA程序设计和图像与视频处理的关键基础理论,然后通过实例代码详细讲解了如何利用FPGA实现直方图操作中的直方图统计/均衡化/线性拉伸/规定化、线性滤波器操作中的均值滤波器、Sobel算子(滤波、求模、求角度)、非线性滤波器操作中的排序类算法/形态学滤波、图像分割算法中的局部自适应分割/Canny算子等。

本书在仿真测试部分设计了一种完善的通用测试系统,并利用此测试系统在每一章的仿真测试环节对所设计算法进行严格的测试和验证。本书在最后一章介绍了在视频处理领域常见的输入/输出接口。本书偏向于工程应用,在书中有大量关于如何利用FPGA实现图像处理算法的实例及代码,并对这些算法的原理及其实现过程、算法测试等做了详细的介绍,全部的算法都进行了仿真测试验证。 

本书适用于需要利用FPGA进行图像处理和视频分析的学者和工程开发人员。读者需要具备一定的嵌入式设计及FPGA设计的基础知识,特别是Verilog语言的语法基础。

第1章  图像处理基础  1

1.1  数字图像处理简介  1

1.1.1  图像采样  1

1.1.2  图像量化  2

1.1.3  数字图像处理  3

1.2  数字图像处理系统  4

1.2.1  图像处理系统构成  4

1.2.2  原始图像获取  6

1.2.3  图像传感器接口  16

1.2.4  图像处理流水线  17

1.2.5  图像与视频压缩  19

1.2.6  视频显示处理  26

第2章  FPGA与图像处理  32  [1] 

2.1  使用FPGA的原因  32

2.2  FPGA技术优势  33

2.3  FPGA的发展历程  34

2.4  FPGA生产厂家及其产品  35

2.4.1  Altera  35

2.4.2  Xilinx  37

2.4.3  Lattice  37

2.4.4  Atmel  38

2.4.5  Actel  38

2.5  FPGA开发流程  38

2.5.1  FPGA设计方法  38

2.5.2  典型的FPGA开发流程  39

2.6  FPGA常用开发工具  44

2.6.1  代码输入工具  45

2.6.2  综合工具  46

2.6.3  仿真工具  47

2.6.4  实现与优化工具  47

2.6.5  EDA工具  48

2.7  FPGA图像处理的开发流程  49

2.7.1  需求分析及问题描述  49

2.7.2  软件算法设计及验证  50

2.7.3  硬件平台设计  51

2.7.4  FPGA映射  52

2.7.5  仿真及验证  54

第3章  FPGA编程语言  55

3.1  HDL语言简介  55

3.2  模块化设计  56

3.3  可移植性  57  [1] 

3.4  不可移植性  61

3.5  测试逻辑  62

3.6  冗余逻辑  63

3.7  常用语法  63

3.7.1  参数化  63

3.7.2  条件编译  68

3.7.3  位宽匹配  69

3.7.4  二维数组  69

3.8  应用实例  70

3.8.1  信号边沿检测  70

3.8.2  多拍处理  72

3.8.3  图像行列计数  73

第4章  映射技术  77

4.1  系统结构  77

4.1.1  流水线设计  77

4.1.2  并行阵列  81

4.2  计算技术  82

4.2.1  算法转换  82

4.2.2  近似计算  83  [1] 

4.2.3  增量更新  85

4.2.4  查找表  85

4.2.5  浮点计算  89

4.2.6  Cordic技术  96

4.3  存储器映射  103

4.3.1  帧缓存  104

4.3.2  行缓存  105

4.3.3  异步缓存  113

4.3.4  增加存储器带宽  114

4.3.5  存储器建模与仿真  115

4.4  其他设计技巧  116

4.4.1  合理处理参数  116

4.4.2  资源及模块复用  117

4.4.3  防止亚稳态  118

第5章  系统仿真  121

5.1  Modelsim使用基础  121

5.1.1  Modelsim简介  121

5.1.2  Modelsim图形界面及

仿真示例  122

5.1.3  使用脚本命令来加速

仿真  133

5.1.4  其他加速仿真的方法  136

5.2  视频图像处理仿真测试系统  [1] 

5.2.1  仿真测试系统框架  136

5.2.2  视频时序模拟  137

5.2.3  视频捕获模拟  145

5.2.4  MFC程序设计  157

5.2.5  通用testbench  161

第6章  直方图操作  167

6.1  灰度直方图  167

6.2  直方图均衡化  169

6.3  直方图规定化  172

6.4  直方图拉伸  175

6.5  基于FPGA的直方图操作  179

6.5.1  FPGA直方图统计  179

6.5.2  FPGA直方图均衡化  192  [1] 

6.5.3  FPGA直方图线性拉伸  203

第7章  线性滤波器  214

7.1  线性滤波  214

7.1.1  均值滤波  214

7.1.2  高斯滤波  216

7.1.3  Sobel算子  219

7.1.4  离散傅里叶变换  222

7.2  基于FPGA的均值滤波  227

7.2.1  整体设计与模块划分  227

7.2.2  子模块设计  228

7.2.3  Verilog代码设计  232

7.2.4  仿真与调试结果  243

7.3  基于FPGA的Sobel算子  247

7.3.1  整体设计与模块划分  247

7.3.2  Sobel模板计算电路  249

7.3.3  基于Cordic的坐标系转换

电路  251

7.3.4  Verilog代码设计  257

7.3.5  仿真与调试结果  274

第8章  非线性滤波器  280

8.1  统计排序滤波  280

8.2  基于FPGA的统计排序滤波器  282

8.2.1  并行全比较排序法原理  282

8.2.2  整体设计与模块划分  285

8.2.3  子模块设计  286

8.2.4  Verilog代码设计  288

8.2.5  仿真与调试结果  298

第9章  形态学滤波  303

9.1  形态学滤波简介  303

9.2  形态学滤波的基本应用  304

9.3  基于FPGA的Tophat滤波设计  311

9.3.1  顶层框架设计  311

9.3.2  子模块设计  312  [1] 

9.3.3  Verilog代码设计  317

9.3.4  仿真及调试结果  337

第10章  图像分割  341

10.1  图像分割简介  341

10.2  基于阈值的分割  341

10.2.1  全局阈值分割  341

10.2.2  局部自适应阈值分割  344

10.3  基于边缘的分割  347

10.3.1  Canny算子  347

10.3.2  Canny算子的计算步骤  347

10.4  基于FPGA的局部自适应分割  356

10.4.1  算法转换  357

10.4.2  FPGA结构设计  358

10.4.3  子模块设计  359

10.4.4  Verilog代码设计  363

10.4.5  仿真与调试  371

10.5  基于FPGA的Canny算子设计  378

10.5.1  非最大值抑制电路设计  378  [1] 

10.5.2  滞后阈值分割电路设计  381

10.5.3  Verilog代码设计  382

10.5.4  仿真调试结果  390

第11章  视频接口  391

11.1  视频输入接口  391

11.1.1  模拟视频输入  391

11.1.2  CameraLink接口  394

11.1.3 USB接口  399

11.1.4 FireWire接口  401

11.1.5  GigE  Vision?接口  407

11.1.6  直接接口  410

11.2  视频输出接口  411

11.2.1  CVT标准  411

11.2.2  VGA  416

11.2.3  PAL  425

11.2.4  DVI/HDMI  433

参考文献  441

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