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? 2018-10-22 09:36 ? 次阅读
马林执教时期,大连一方遭遇三连败,分别0比8不敌上港、0比2不敌富力、0比3输给了国安。

航空电子图像处理系统为操作者提供各种图像及字符信息,随着传感器、显示器的性能指标不断提升,图像处理系统的设计面临越来越大的挑战,其中图像缩放的功能是图像处理系统的关键技术要求。图像缩放功能有两种实现方案:1)软件实现,其优点是算法选择灵活多样,生成的画面质量较高,缺点是运算时间长。2)硬件实现,其优点是分辨率高,实时性强,缺点是不易实现功能强大的优秀算法。

近年来,FPGA技术发展迅速,片内集成了PLL、硬件乘法器、存储器,具有了实现优秀算法的充足资源。许多航空电子嵌入式图像处理系统是由固定的视频源和显示设备组成,系统中图像缩放的倍率是固定的。文中针对此展开重点研究,基于FPGA硬件,实现固定倍率的图像缩放。

1 图像缩放的算法

数字图像的缩放是一个处理2维离散信号的过程。输出图像中任一个像素F(x,y),均可以在输入图像f(x,y)的像素矩阵中找到其对应的位置,如图1所示。

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

图1 输入和输出图像像素的映射关系

F(x,y)的值可以对其邻域的原始图像进行二维卷积运算得到。

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

其中mxn为邻域范围,f(i,j)是输入原始图像,s(i,j)为系数函数。

因为图像中邻近的像素存在着相关性,所以输出图像像素可以依据其在原始输入图像映射位置邻域的像素数据卷积得到。邻域范围内各个像素的相关度由系数函数决定,邻域的范围决定了算法的运算速度。

基于FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放,为了降低FPGA设计的复杂性,提高图像缩放算法的运算速度,增强系统的实时性,将2维卷积运算分解成2次1维卷积运算,对输入原始图像像素先进行行方向的卷积,再进行列方向的卷积,从而得到输出图像像素。

2 图像缩放的FPGA实现

2.1 基于FPGA实现图像缩放的功能结构

基于FPGA实现图像缩放的功能结构图如图2所示。

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

图2 功能结构图

卷积计算模块的硬件结构由算法决定,每个点时钟周期内,对输入原始图像像素和系数先进行行方向的卷积,再进行列方向的卷积,从而得到输出图像像素。系数产生功能是依据控制模块确定的状态,产生算法要求的系数。输入缓存由控制模块不断刷新,保证每一时钟输入给卷积计算模块相应的像素数据。输出缓存提供下一环节数据流接口。

控制模块是核心逻辑部分,可以采用逆向映射方式(按照输出像素的时间顺序递增,选择对应的输入像素得到结果),也可以采用顺向映射方式(直接在输入像素的时序中产生输出像素)。

逆向映射方式工作在输出图像的时钟域,控制模块根据缩放倍率、分辨率和同步信号,确定输入像素坐标的增量大小,使得在每一时钟周期输入缓存中出现相应的像素数据。因为逆向映射方式需要使输出时钟域与输入时钟域保持同步,所以需要大容量的输入数据存储空间,才能确保在每个时钟周期提供相应的输入像素数据。顺向映射方式输入和输出像素有很强的时序对应关系,按照输入像素的时序进程实时确定输出像素的时序,输出图像分辨率发生变化,但帧频一致。图像缩放过程中,输入一个像素可能会输出2个或3个像素,控制模块可以采用输出缓存、双口RAM、变换时钟域、增加数据总线宽度等方法达到这种同步。顺向映射方式符合输入图像的时序,不需要大容量的数据存储空间,具体根据图像缩放算法的邻域大小而定。

2.2 基于FPGA实现图像缩放的方法

基于FPGA实现图像缩放时,无论是逆向映射方式还是顺向映射方式,控制模块的设计都比较复杂。为了发挥FPGA的优势,大幅度降低设计难度,简化硬件结构,文中把图像缩放过程设计为一个单元体的循环过程,在单元体内部,可以事先计算出卷积系数。例如,把每行720个像素,放大到768个像素,相当于每输入15个像素,输出16个像素。此时可以把15个像素作为一个单元体,事先计算出每个输入像素周期的卷积系数,在FPGA中设计一个包含15种情况的状态机即可。单元体的像素数量越少,事先计算卷积系数和状态机设计的工作量就越少,因此像素的数量控制在20个以内,必要时可以采用近似的整数比。当输出像素的数量与实际要求相差很小时,图像边缘部分增加或减少几个像素对显示效果影响甚微,因此各种图像缩放倍率情况下,相应个数的输入像素都可以作为一个合适的单元体。

为论述方便,文中以将768x576的输入图像放大到1 024x768为例,说明基于FPGA实现对输入原始图像像素先进行行方向的卷积,再进行列方向的卷积,从而得到输出图像像素。

2.2.1 基于FPGA实现行方向的卷积

图像在行方向的放大比例为3:4,即单元体为3个输入像素和4个输出像素,如图3所示。

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

图3 单元体示意图

输入图像的AB空间中均匀分布X1、X2、X3,3个像素,放大后输出图像的这个空间将输出y0、y1、y2、y3,4个像素。这个单元体的时序关系是:当输入X1像素时,输出Y0像素;当输入X2像素时,输出Y1像素;当输入X3像素时,输出Y2和Y3像素。行方向的卷积公式为:

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

基于FPGA实现的源程序如下:

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

基于FPGA实现的仿真时序图如图4所示。

如何利用FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放?

图4 时序图

在本例中时钟为输入的点时钟,为了在X3像素周期时输出2个像素:Y2和Y3,采用了扩充数据总线的方式。

2.2.2 基于FPGA实现列方向的卷积

数据流在行方向放大后写入双口RAM,然后从另一侧端口读出进行列方向的放大。由于行方向的卷积算法,双口RAM中至少应存储连续的3行输入图像像素数据,其中2行输入图像像素数据处于被读出状态,产生放大后的输出图像像素,另一行空间被写入当前的输入图像像素数据,循环刷新。

列方向的单元体和行方向相同,也由3个输入像素和4个输出像素组成,每种状态下也是同样的卷积系数,只是图像横向的空间变换成图像竖向的空间,因此基于FPGA实现列方向的卷积的方法与基于FPGA实现行方向的卷积的方法相同,此处不再赘述。

3 结束语

基于FPGA实现图像缩放,需要根据图像缩放的倍率确定包含适当数量像素的单元体。在单元体内部,根据图像缩放算法确定每个输出像素的计算公式和卷积系数,确定实现点时钟倍频效果的硬件方案。顺向映射方式输入和输出处于帧同步状态,由于输出像素数量多于输入像素,输出像素的点时钟频率要高于输入像素。本文行方向的放大过程,点时钟频率平均增加1/3倍,列方向的放大过程,点时钟频率还要继续增加1/3倍。实现倍频效果可以采用更高频的独立时钟,或者倍频输入点时钟,再或者增加数据总线宽度。为节省数据存储空间,当对图像放大时,先进行列方向的放大,后进行行方向的放大;当对图像缩小时,先进行行方向的缩小,后进行列方向的缩小。

基于FPGA实现图像缩放功能实时性强、分瓣率高。许多航空电子嵌入式图像处理系统是由固定的视频源和显示设备组成,系统中图像缩放的倍率是固定的。本文基于FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放,能够大幅度降低设计难度,减少工作量。

基于FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放的方法已经应用于某款航空电子产品中,电路板的原有硬件没有变动,对电路板中FPGA重新进行了设计,增加了新的内容,应用效果良好。

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发表于 2018-10-22 09:29 ? 78次阅读
如何利用FPGA研究CPU工作原理实现其功能?

以嵌入式处理器为核心的IP复用技术应用

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,有硬核和软核之分。其中,嵌入式处理器软核以其更大的使用灵活性,更低廉...

发表于 2018-10-22 09:23 ? 284次阅读
以嵌入式处理器为核心的IP复用技术应用

如何设计一个基于嵌入式系统的智能交通灯控制系统?

电源是整个系统的动力源,对于整个系统运行过程处于至关重要的作用,系统中不同模块对供电需求也各不相同。...

发表于 2018-10-22 09:15 ? 113次阅读
如何设计一个基于嵌入式系统的智能交通灯控制系统?

如何设计一个16位的嵌入式微控制器?

使用的FPGA器件是StratixⅡ型号为EP1S40F780C7。综合结果显示:A8096使用3 ...

发表于 2018-10-22 09:11 ? 98次阅读
如何设计一个16位的嵌入式微控制器?

在嵌入式系统中如何利用CPLD技术来更加方便的使...

DRAM控制器由80C186XL状态信号S2、S1和S0的解码来检测总线的开始、类型和结束。这些状态...

发表于 2018-10-22 09:03 ? 48次阅读
在嵌入式系统中如何利用CPLD技术来更加方便的使...

以C51单片机为核心的嵌入式系统实时控制设计

C8051F120芯片上本身自带了A/D转换器,但只有12位,不适合该系统的需求,故在片外另加一片A...

发表于 2018-10-22 08:56 ? 86次阅读
以C51单片机为核心的嵌入式系统实时控制设计

关于FPGA的优势以及产业化的限制因素详解

可编程的“万能芯片” FPGA——现场可编程门阵列,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构...

发表于 2018-10-22 11:47 ? 64次阅读
关于FPGA的优势以及产业化的限制因素详解

如何将气象数据运用到传热仿真中?

在设计设备或工艺流程时,除了研究系统本身之外,很重要的是还要考虑周围环境的影响。借助历史气象数据对不...

发表于 2018-10-22 11:46 ? 615次阅读
如何将气象数据运用到传热仿真中?

各种存储器接口控制器设计所面临的挑战和Xilin...

FPGA 设计人员在满足关键时序余量的同时力争实现更高性能,在这种情况下,存储器接口的设计是一个一...

发表于 2018-10-22 11:04 ? 1437次阅读
各种存储器接口控制器设计所面临的挑战和Xilin...

一种关于利用DSP嵌入式技术的赛车刹车控制系统的...

本文在硬件电路设计上采用DSP 芯片和外围电路构成速度捕获电路,电机驱动控制器采用微控制芯片和外围...

发表于 2018-10-22 10:46 ? 78次阅读
一种关于利用DSP嵌入式技术的赛车刹车控制系统的...

一种基于嵌入式系统应用的机器人视觉系统设计详解

随着Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密,嵌入式设备与Internet的结...

发表于 2018-10-22 10:35 ? 327次阅读
一种基于嵌入式系统应用的机器人视觉系统设计详解

FPGA究竟是什么?能代替CPU架构吗?

FPGA全称现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array),最初作为...

发表于 2018-10-22 17:23 ? 422次阅读
FPGA究竟是什么?能代替CPU架构吗?

一种通过嵌入式互联网技术控制在线嵌入式设备的远程...

随着Internet的广泛普及和通信技术的高速发展,大量基于TCP/IP的Internet应用可以被...

发表于 2018-10-22 17:19 ? 627次阅读
一种通过嵌入式互联网技术控制在线嵌入式设备的远程...

关于嵌入式Linux系统开发学习流程详解

C语言是嵌入式领域最重要也是最主要的编程语言,通过大量编程实例重点理解C语言的基础编程以及高级编程知...

发表于 2018-10-22 17:15 ? 121次阅读
关于嵌入式Linux系统开发学习流程详解

如何实现用Python开发FPGA?

近日,想必各位科技爱好者的朋友圈都被一篇发表在第25届IEEE国际讨论会上,用Python开发FPG...

发表于 2018-10-22 14:57 ? 259次阅读
如何实现用Python开发FPGA?

简谈FPGA verilog中的function...

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊FPGA verilog中的function用法与例...

发表于 2018-10-22 13:42 ? 663次阅读
简谈FPGA verilog中的function...

Virtex UltraScale+ FPGA:...

赛灵思在UltraScale+产品系列及设计工具上一直与100多家客户积极接触,目前已向其中60多...

发表于 2018-10-22 11:35 ? 52次阅读
Virtex UltraScale+ FPGA:...

Xilinx推出SDSoC发环境2016.1版,...

赛灵思公司 (Xilinx) 推出 SDSoC发环境2016.1版,支持Zynq系列SoC和MPS...

发表于 2018-10-22 11:16 ? 106次阅读
Xilinx推出SDSoC发环境2016.1版,...

在FPGA模块层如何提供容错设计

赛灵思根据实际情况提供了基于器件的打包式解决方案,从而帮助用户克服功能安全系统设计的复杂性挑战,而且...

发表于 2018-10-22 09:55 ? 777次阅读
在FPGA模块层如何提供容错设计

威盛电子发布嵌入式新模块,助力机器人的发展

21世纪以来,计算机市场从PC时代发展至移动时代,并逐渐向AI(人工智能)时代转变。智能机器人作为人...

发表于 2018-10-22 08:58 ? 54次阅读
威盛电子发布嵌入式新模块,助力机器人的发展

一种基于多种MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设...

传统的姿态测量因为采用高精度陀螺仪和加速度计等姿态传感器,体积庞大并且价格昂贵。当前MEMS产品因其...

发表于 2018-10-22 16:46 ? 107次阅读
一种基于多种MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设...

一种基于嵌入式Internet技术的通用RTU设...

针对传统RTU通讯速率低、通讯规约不统一、系统不开放,分析了在IEC 60870-5-104通信规约...

发表于 2018-10-22 16:38 ? 377次阅读
一种基于嵌入式Internet技术的通用RTU设...

FPGA学习系列:26. 矩阵键盘的设计

设计背景: 矩阵键盘在工程设计越来越多的被用到,已然成为了我们做开发接触到的不可缺少的小型项目,利于...

发表于 2018-10-22 10:47 ? 852次阅读
FPGA学习系列:26. 矩阵键盘的设计

Quartus Prime Pro设计软件:用于...

Altera(现在已属英特尔公司)今天发布新的产品版Quartus Prime Pro设计软件,进...

发表于 2018-10-22 09:21 ? 78次阅读
Quartus Prime Pro设计软件:用于...

Mouser供货Terasic开发套件,专为Al...

贸泽电子(Mouser Electronics) 即日起开始分销Terasic Technolog...

发表于 2018-10-22 08:42 ? 48次阅读
Mouser供货Terasic开发套件,专为Al...

基于现场可编程门阵列(fpga)技术fir数字滤...

设计一个滤波器,其采样率 fs=1MHz,通带截止频率 fpass=50KHz,归一化表示fpass...

发表于 2018-10-22 15:55 ? 339次阅读
基于现场可编程门阵列(fpga)技术fir数字滤...

FPGA怎么搭复位电路 fpga复位电路设计方案

FPGA的可靠复位是保证系统能够正常工作的必要条件,本文对FPGA设计中常用的复位设计方法进行了分类...

发表于 2018-10-22 15:14 ? 90次阅读
FPGA怎么搭复位电路 fpga复位电路设计方案

Xilinx通过拓展生态系统和平台,强化高度差异...

赛灵思公司(Xilinx)今天宣布通过拓展生态系统和硬件平台进一步扩大了其面向嵌入式视觉和工业物联...

发表于 2018-10-22 14:33 ? 124次阅读
Xilinx通过拓展生态系统和平台,强化高度差异...

美高森美最新11.7版本Libero系统级芯片,...

美高森美公司(Microsemi Corporation)宣布推出最新11.7版本Libero系统...

发表于 2018-10-22 14:28 ? 47次阅读
美高森美最新11.7版本Libero系统级芯片,...

菲利华成功研发8代光掩膜板,助力显示产业供应链国...

菲利华公司作为国内领先、国际知名的石英玻璃材料及石英玻璃纤维供应商的民营企业投身国防科技工业建设,用...

发表于 2018-10-22 11:48 ? 621次阅读
菲利华成功研发8代光掩膜板,助力显示产业供应链国...

浅析国内FPGA市场发展现状

2018年上半年对于中国半导体行业而言是多事之秋,发生了几件让国人深入思考的大事。我作为IC产业的逃...

发表于 2018-10-22 10:50 ? 637次阅读
浅析国内FPGA市场发展现状

浅析2018人工智能曲线五个阶段的关键技术

工智能被广为关注,但是一些想法恐难达到预期。本成熟度曲线将追踪AI基本趋势和未来创新,以确定人工智能...

发表于 2018-10-22 09:12 ? 1117次阅读
浅析2018人工智能曲线五个阶段的关键技术
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唐禹哲怕羞不敢直视(图) 日本空手道美女走红 爱开黄腔(图) 佘诗曼豪掷3000万买新屋 复仇 揭幕“北京放映 凌潇肃姚晨隔空打擂 创最高收视记录 陈晓东牵爱女甜蜜出游 泰最美变性人Poy默认看过淫照 大小s父亲去世 遭追债属个人私事纠纷 一头卷发打扮随意(图)