用FPGA实现“共轭变换”图像处理方法

近年来微光、红外、X光图像传感器在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越为广泛，但由于这些成像器件自身的物理缺陷，视觉效果很不理想，往往需要对图像进行适当的处理，以得到适合人眼观察或机器识别的图像。因此，市场急需大量高效的实时图像处理器能够在传感器后端对这类图像进行处理。而FPGA的出现，恰恰解决了这个问题。 近十年来，随着FPGA(现场可编程门阵列)技术的突飞猛进，FPGA也逐渐进入数字信号处理领域，尤其在实时图像处理方面。Xilinx的研究表明，在2000年主要用于DSP应用的FPGA的发货量，增长了50％；而常规的DSP大约增长了40％。由于FPGA可无比拟的并行处理能力，使得FPGA在图像处理领域的应用持续上升，国内外，越来越多的实时图像处理应用都转向了FPGA平台。与PDSP相比，FPGA将在未来统治更多前端(如传感器)应用，而PDSP将会侧重于复杂算法的应用领域。可以说，FPGA是数字信号处理的一次重大变革。 算法是图像处理应用的灵魂，是硬件得以发挥其强大功能的根本。”共轭变换”图像处理方法是一种新型的图像处理算法，由郑智捷博士上个世纪90年代初提出。这种算法使用基元形状(meta-shape)技术，而这种技术的特征正好具备几何与拓扑的双重特性，使得大量不同的基于形态的灰度图像处理滤波器可用这种方法实现。该种算法在空域进行图像处理，无需进行大量复杂的算术运算，算法简单、快速、高效，易于硬件实现。通过十多年来的实验与实践证明，在微光图像，红外图像，X光图像处理领域，”共轭变换”图像处理方法确实有其独特的优异性能。本篇论文就针对”共轭变换”图像处理方法在微光图像处理领域的应用，就如何在FPGA上实现”共轭变换”图像处理方法展开研究。首先在Matlab环境下，对常用的图像增强算法和”共轭变换”图像处理方法进行了比较，并且在设计制作“FPGA视频处理开发平台”的基础上，用VHDL实现了”共轭变换”图像处理方法的基本内核并进行了算法的硬件实现与效果验证。此外，本文还详细地讨论了视频流的采集及其编码解码问题以及I2C总线的FPGA实现。