本文研究的視頻處理系統是上海市科委技術攻關基金項目“計算機視覺及其芯片化實現”的一部分，主要完成計算機視覺系統的一些基本工作，即視頻圖像的采集、預處理和顯示等。 視頻圖像采集和預處理系統以Xilinx公司Virtex-ⅡPro系列的FPGA為核心控制器件，結合視頻模數轉換芯片和VGA顯示器，完成視頻圖像的實時采集、預處理和顯示。采集和顯示部分作為同外界交流信息的渠道，是構成計算機視覺系統必不可少的一部分；圖像預處理則是計算機視覺系統進行高層處理的基礎，優秀的預處理算法能有效改善圖像質量，提高系統分析判斷的準確性。 本文在介紹基于FPGA的視頻采集、預處理系統整體架構的基礎上，圍繞以下四個方面展開了工作： 1.研究并給出了兩種基于FPGA的設計方案用于實現YCrCb色度空間到RGB色度空間的轉換； 2.針對采集的視頻圖像，根據VGA顯示的要求，給出了一種實現圖像去隔行的方案； 3.分析了一系列圖像濾波的預處理算法，如均值濾波、中值濾波和自適應濾波等，在比較和總結各算法特點的基礎上，提出了一種新的適用于處理混合噪聲的濾波算法：混合自適應濾波法； 4.根據算法特點設計了多種采用FPGA實現的圖像濾波算法，并對硬件算法進行RTL級的功能仿真和驗證，還給出了各種濾波算法的實驗結果，在此基礎上對各種算法的效果進行直觀的比較。 文中，預處理算法的實現充分利用了FPGA的片內資源，體現了FPGA在圖像處理方面的特點及優勢。同時，視頻采集和顯示的控制模塊也由同一FPGA芯片實現，從而簡化了系統整體結構。視頻采集和預處理系統在FPGA上的成功實現為“計算機視覺及其芯片化實現”奠定了必要的基礎、提供了一定理論依據。
上傳時間： 2013-07-26
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H.264/AVC是國際電信聯盟與國際標準化組織/國際電工委員會聯合推出的活動圖像編碼標準，簡稱H.264。作為最新的國際視頻編碼標準，H.264/AVC與MPEG-4、H.263等視頻編碼標準相比，性能有了很大的提高，并已在流媒體、數字電視、電話會議、視頻存儲等諸多領域得到廣泛的應用。 本論文的研究課題是基于H.264/AVC視頻編碼標準的CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding，基于上下文的自適應可變長編碼)編碼算法研究及FPGA實現。對于變換后的熵編碼，H.264/AVC支持兩種編碼模式：基于上下文的可變長編碼(CAVLC)和基于上下文的自適應算術編碼(CABAC，Context-based Adaptive BinaryArithmetic Coding)。在H.264/AVC中，盡管CAVLC算法也是采用了VLC編碼，但是同以往標準不同，它所有的編碼都是基于上下文進行。這種方法比傳統的查單一表的方法提高了編碼效率，但也增加了設計上的困難。 作者在全面學習H.264/AVC協議和深入研究CAVLC編碼算法的基礎上，確定了并行編碼的CAVLC編碼器結構框圖，并總結出了影響CAVLC編碼器實現的瓶頸。針對這些瓶頸，對CAVLC編碼器中的各個功能模塊進行了優化設計，這些優化設計包括多參考塊的表格預測法、快速查找表法、算術消除法等。最后，用Verilog硬件描述語言對所設計的CAVLC編碼器進行了描述，用EDA軟件對其主要功能模塊進行了仿真，并在Cyclone II系列EP2C20F484的FPGA上驗證了它們的功能。結果表明，該CAVLC編碼器各編碼單元的編碼速度得到了顯著提高且均能滿足實時通信要求，為整個CAVLC編碼器的實時通信提供了良好的基礎。
上傳時間： 2013-06-22
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隨著圖像分辨率的越來越高，軟件實現的圖像處理無法滿足實時性的需求；同時FPGA等可編程器件的快速發展使得硬件實現圖像處理變得可行。如今基于FPGA的圖像處理研究成為了國內外的一個熱門領域。 本文在FPGA平臺上，用Verilog HDL實現了一個研究圖像處理算法的可重復配置的硬件模塊架構，架構包括PC機預處理和通信軟件，控制模塊，計算單元，存儲器模塊和通信適配模塊五個部分。其中的計算模塊負責具體算法的實現，根據不同的圖像處理算法可以獨立實現。架構為計算模塊實現了一個可添加、移出接口，不同的算法設計只要符合該接口就可以方便的加入到模塊架構中來進行調試和運行。 在硬件架構的基礎上本文實現了排序濾波，中值濾波，卷積運算及高斯濾波，形態學算子運算等經典的圖像處理算法。討論了FPGA的圖像處理算法的設計方法及優化策略，通過性能分析，FPGA實現圖像處理在時間上比軟件處理有了很大的提高；通過結果的比較，發現FPGA的處理結果達到了軟件處理幾乎同等的效果水平。最后本文在實現較大圖片處理和圖像處理窗口的大小可配置性方面做了一定程度的討論和改進，提高了算法的可用性，同時為進一步的研究提供了更加便利的平臺。 整個設計都是在ISE8.2和ModelSim第三方仿真軟件環境下開發的，在xilinx的Spartan-3E XC3S500E硬件平臺上實現。在軟件仿真過程中利用了ISE8.2自帶仿真工具和ModelSim結合使用。 本課題為制造FPGA的專用圖像處理芯片做了有益的探索性研究，為實現FPGA為核心處理芯片的實時圖像處理系統有著積極的作用。
上傳時間： 2013-07-29
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基于微處理器的數字PID控制器改變了傳統模擬PID控制器參數整定不靈活的問題。但是常規微處理器容易在環境惡劣的情況下出現程序跑飛的問題，如果實現PID軟算法的微處理器因為強干擾或其他原因而出現故障，會引起輸出值的大幅度變化或停止響應。而FPGA的應用可以從本質上解決這個問題。因此，利用FPGA開發技術，實現智能控制器算法的芯片化，使之能夠廣泛的用于各種場合，具有很大的應用意義。 首先分析FPGA的內部結構特點，總結FPGA設計技術及開發流程，指出實現結構優化設計，降低設計難度，是擴展設計功能、提高芯片性能和產品性價比的關鍵。控制系統由四個模塊組成，主要包括核心控制器模塊、輸入輸出模塊以及人機接口。其中控制器部分為系統的關鍵部件。在分析FPGA設計結構類型和特點的基礎上，提出一種基于FPGA改進型并行結構的PID溫度控制器設計方法。在PID算法與FPGA的運算器邏輯映像過程中，采用將補碼的加法器代替減法器設計，增加整數運算結果的位擴展處理，進行不同數據類型的整數歸一化等不同角度的處理方法融合為一體，可以有效地減少邏輯運算部件。應用Ouartus Ⅱ圖形輸入與Verilog HDL語言相結合設計實現了PID控制器，用Modelsim仿真驗證了設計結果的正確性，用Synplify Pro進行電路綜合，在Quaitus Ⅱ軟件中實現布局布線，最后生成FPGA的編程文件。根據控制系統的要求，論文設計完成了12位模數AD轉換器、數據顯示器、按鍵等相關外圍接口電路。 將一階、純滯后、大慣性電阻爐溫作為控制對象，以EP1C3T144 FPGA為核心，構建PID控制系統。在采用Pt100溫度傳感器、分辨率為2℃、最大溫度控制范圍0～400℃的條件下，實驗結果表明，達到無超調的穩定控制要求，為降低FPGA實現PID控制器的設計難度提供了有效的方法。
上傳時間： 2013-06-13
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H.264作為新一代視頻編碼標準，相比上一代視頻編碼標準MPEG2，在相同畫質下，平均節約64﹪的碼流。該標準僅設定了碼流的語法結構和解碼器結構，實現靈活性極大，其規定了三個檔次，每個檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應用，因此。H.264的編碼器的設計可以根據需求的不同而不同。 H.264雖然具有優異的壓縮性能，但是其復雜度卻比一般編碼器高的多。本文對H.264進行了編碼復雜度分析，并統計了整個軟件編碼中計算量的分布。H.264中采用了率失真優化算法，提高了幀內預測編碼的效率。在該算法下進行幀內預測時，為了得到一個宏塊的預測模式，需要進行592次率失真代價計算。因此為了降低幀內預測模式選擇的計算復雜度，本文改進了幀內預測模式選擇算法。實踐證明，在PSNR值的損失可以忽略不計的情況下，該算法相比原算法，幀內編碼時間平均節約60﹪以上，對編碼的實時性有較大幫助。 為了實現實時編碼，考慮到FPGA的高效運算速度和使用靈活性，本文還研究了H.264編碼器基本檔次的FPGA實現。首先研究了H.264編碼器硬件實現架構，并對影響編碼速度，且具有硬件實現優越性的幾個重要部分進行了算法研究和FPGA.實現。本文主要研究了H.264編碼器中整數DCT變換、量化、Zig-Zag掃描、CAVLC編碼以及反量化、逆整數DCT變換等部分。分別對這些模塊進行了綜合和時序仿真，并將驗證后通過的系統模塊下載到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，進行了在線測試，驗證了該系統對輸入的殘差數據實時壓縮編碼的功能。 本文對H.264編碼器幀內預測模式選擇算法的改進，算法實現簡單，對軟件編碼的實時性有很大幫助。本文對在單片FPGA上實現H.264編碼器做出了探索性嘗試，這對H.264編碼器芯片的設計有著積極的借鑒性。
上傳時間： 2013-06-13
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隨著科學技術的發展與公共安全保障需求的提高，視頻監控系統在工業生產、日常生活、警備與軍事方面的應用越來越廣泛。采用基于 FPGA 的SOPC技術、H．264壓縮編碼技術和網絡傳輸控制技術實現網絡視頻監控系統，在穩定性、功能、成本與擴展性等方面都有著突出的優勢，具有重要的學術意義與實用意義， 本課題所設計的網絡視頻監控系統由以Nios Ⅱ為核心的嵌入式圖像服務器、相關網絡設備與若干PC機客戶端組成。嵌入式圖像服務器實時采集圖像，采用H．264 編碼算法進行壓縮，并持續監聽網絡。PC機客戶端可通過網絡對服務器進行遠程訪問，接收編碼數據，使用H．264解碼算法重建圖像并實時顯示，使監控人員有效地掌握現場情況， 在嵌入式圖像服務器設計階段，本文首先進行了芯片選型與開發平臺選擇。然后構建圖像采集子系統，采用雙緩存乒乓交換的方法設計圖像采集用戶自定義模塊。接著設計雙Nios Ⅱ架構的SOPC系統，闡述了雙軟核設計中定制連接、內存芯片共享、數據搬移、通信與互斥的解決方法。同時完成了網絡服務器的設計，采用μC/OS-Ⅱ進行多任務的管理與調度， H．264視頻壓縮編解碼算法設計與實現是本文的重點。文中首先分析H．264．標準，規劃編解碼器結構。接著設計了16×16幀內預測算法，并設計宏塊掃描方式，采用兩次判決策略進行預測模式選擇。然后設計4×4子塊掃描方式，編寫整數變換與量化算法程序。熵編碼采用Exp-Golomb編碼與CAVLC相結合的方案，針對除拖尾系數之外的非零系數值編碼子算法，實現了一種基于表示范圍判別的編碼方法。最后設計了網絡傳輸的碼流組成格式，并針對編碼算法設計相應解碼算法。使用VC++完成算法驗證，并進行測試，觀察不同參數下壓縮率與失真度的變化。 算法驗證完成后，本文進行了PC機客戶端設計，使其具有遠程訪問、H．264解碼與實時顯示的功能。同時將H．264 編碼算法程序移植到NiosⅡ中，并將嵌入式圖像服務器與若干客戶端接入網絡進行聯合調試，構建完整的網絡視頻監控系統， 實驗結果表明，本系統視頻壓縮率高，監控圖像質量良好，充分證明了系統軟硬件與圖像編解碼算法設計成功。本系統具有成本低、擴展性好及適用范圍廣等優點，發展前景十分廣闊。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著移動終端、多媒體、通信、圖像掃描技術的發展，圖像應用日益廣泛，壓縮編碼技術對圖像處理中大量數據的存儲和傳輸至關重要。同時， FPGA單片規模的不斷擴大，在FPGA芯片內實現復雜的數字信號處理系統也成為現實，因此采用FPGA實現圖像壓縮已成為一種必然趨勢。JPEG靜態圖像壓縮標準應用非常廣泛，是圖像壓縮中主要的標準之一。研究JPEG圖像壓縮在FPGA上的實現，具有廣闊的應用背景。 論文從實際工程應用出發，通過設計圖像壓縮的IP核，完成JPEG壓縮算法在FPGA上的實現。首先闡述JPEG基本模式的壓縮編碼的標準，然后在設計規劃過程中，采用SOC的設計思想，給出整個系統的內部結構、層次劃分，對各個模塊的HDL實現進行詳細的描述，最后完成整體驗證。方案采用了IP核復用的設計技術，基于Xilinx公司本身的IP核，進行了再次開發。在研究JPEG標準的核心算法DCT的基礎上，加以改進，設計了適合器件結構的基于DA算法的DCT變換的IP核。通過結構和算法的優化，提高了速度，減少占用過多的片內資源。 設計基于Xilinx的Virtex- II系列的FPGA的硬件平臺,在ISE7.1中編譯綜合，最后通過Modelsim仿真驗證。分辨率為352×288大小的源圖像，在不同的壓縮等級設置下，均測試通過。仿真驗證的結果表明：基于FPGA的JPEG壓縮編碼占用較少的硬件資源，可在較高的工作頻率下運行，設計在速度和資源利用率方面達到了較優的狀態，能夠滿足一般圖像壓縮的要求。 整個設計可以作為單獨的JPEG編碼芯片也可以作為IP核添加到其他系統中去，具有一定的使用價值。
上傳時間： 2013-04-24
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正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波數字調制技術，具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、成本低等特點，適合無線通信的高速化、寬帶化及移動化的需求，將成為下一代無線通信系統(4G)的核心調制傳輸技術。 本文首先描述了OFDM技術的基本原理。對OFDM的調制解調以及其中涉及的特性和關鍵技術等做了理論上的分析，指出了OFDM區別于其他調制技術的巨大優勢；然后針對OFDM中的信道估計技術，深入分析了基于FFT級聯的信道估計理論和基于聯合最大似然函數的半盲分組估計理論，在此基礎上詳細研究描述了用于OFDM系統的迭代的最大似然估計算法，并利用Matlab做了相應的仿真比較，驗證了它們的有效性。 而后，在Matlab中應用Simulink工具構建OFDM系統仿真平臺。在此平臺上，對OFDM系統在多徑衰落、高斯白噪聲等多種不同的模型參數下進行了仿真，并給出了數據曲線，通過分析結果可正確評價OFDM系統在多個方面的性能。 在綜合了OFDM的系統架構和仿真分析之后，設計并實現了基于FPGA的OFDM調制解調系統。首先根據802.16協議和OFDM系統的具體要求，設定了合理的參數；然后從調制器和解調器的具體組成模塊入手，對串/并轉換，QPSK映射，過采樣處理，插入導頻，添加循環前綴，IFFT/FFT，幀同步檢測等各個模塊進行硬件設計，詳細介紹了各個模塊的設計和實現過程，并給出了相應的仿真波形和參數說明。其中，針對定點運算的局限性，為系統設計并自定義了24位的浮點運算格式，參與傅立葉反變換和傅立葉變換的運算，在系統參數允許的范圍內，充分利用了有限資源，提高了系統運算精度；然后重點描述了基于FPGA的快速傅立葉變換算法的改進、優化和設計實現，針對原始快速傅立葉變換FPGA實現算法運算空閑時間過多，資源占用較大的問題，提出了帶有流水作業功能、資源占用較少的快速傅立葉變換優化算法設計方案，使之運用于OFDM基帶處理系統當中并加以實現，結果滿足系統參數的需求。最后以理論分析為依據，對整個OFDM的基帶處理系統進行了系統調試與性能分析，證明了設計的可行性。 綜上所述，本文完成了一個基于FPGA的OFDM基帶處理系統的設計、仿真和實現。本設計為OFDM通信系統的進一步改進提供了大量有用的數據。
上傳時間： 2013-07-25
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本文主要對基于FPGA芯片的橢圓曲線密碼算法的實現及優化設計進行了研究。由于點乘運算極大影響了橢圓曲線密碼系統的加/解密速度，本文對點乘運算的FPGA設計進行了重點優化。首先比較分析了三種點乘算法，從運算復雜度的角度確定了蒙哥馬里算法是最利于FPGA芯片實現的。然后根據蒙哥馬里算法，用VerilogHDL語言實現了基于FPGA芯片的橢圓域中的基本運算(模加、模乘、模平方和模逆)。通過三種模乘算法在FPGA上的實現，設計出一種串并混合的乘法器，達到了面積與速度的最佳匹配。 本文利用Modelsim對本課題設計的硬件系統進行了仿真實驗，驗證了所設計的硬件系統完成了橢圓曲線密碼算法在FPGA上的實現。最后使用SynplifyPro進行綜合及布局布線，綜合報告文件證明了本課題所設計的ECC加密系統達到了優化芯片速度和面積的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著移動終端、多媒體、Internet網絡、通信，圖像掃描技術的發展，以及人們對圖象分辨率，質量要求的不斷提高，用軟件壓縮難以達到實時性要求，而且會帶來因傳輸大量原始圖象數據帶來的帶寬要求，因此采用硬件實現圖象壓縮已成為一種必然趨勢。而熵編碼單元作為圖像變換，量化后的處理環節，是圖像壓縮中必不可少的部分。研究熵編解碼器的硬件實現，具有廣闊的應用背景。本文以星載視頻圖像壓縮的硬件實現項目為背景，對熵編碼器和解碼器的硬件實現進行探討，給出了并行熵編碼和解碼器的實現方案。熵編解碼器中的難點是huffman編解碼器的實現。在設計并行huffman編碼方案時通過改善Huffman編碼器中變長碼流向定長碼流轉換時的控制邏輯,避免了因數據處理不及時造成數據丟失的可能性，從而保證了編碼的正確性。而在實現并行的huffman解碼器時，解碼算法充分利用了規則化碼書帶來的碼字的單調性，及在特定長度碼字集內碼字變化的連續性，將并行解碼由模式匹配轉換為算術運算，提高了存儲器的利用率、系統的解碼效率和速度。在實現并行huffman編碼的基礎上，結合針對DC子帶的預測編碼，針對直流子帶的游程編碼，能夠對圖像壓縮系統中經過DWT變換，量化，掃描后的數據進行正確的編碼。同時，在并行huffman解碼基礎上的熵解碼器也可以解碼出正確的數據提供給解碼系統的后續反量化模塊，進一步處理。在本文介紹的設計方案中，按照自頂向下的設計方法，對星載圖像壓縮系統中的熵編解碼器進行分析，進而進行邏輯功能分割及模塊劃分，然后分別實現各子模塊，并最終完成整個系統。在設計過程中，用高級硬件描述語言verilogHDL進行RTL級描述。利用了Altera公司的QuartusII開發平臺進行設計輸入、編譯、仿真，同時還采用modelsim仿真工具和symplicity的綜合工具，驗證了設計的正確性。通過系統波形仿真和下板驗證熵編碼器最高頻率可以達到127M，在62.5M的情況下工作正常。而熵解碼器也可正常工作在62.5M，吞吐量可達到2500Mbps，也能滿足性能要求。仿真驗證的結果表明：設計能夠滿足性能要求，并具有一定的使用價值。
上傳時間： 2013-05-19
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