【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)水平的提高,圖像處理在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。然而隨著圖像處理算法的時(shí)間與空間復(fù)雜度的提高,需要耗費(fèi)的資源相應(yīng)越來越多,這使得在軟件上實(shí)現(xiàn)的算法效率低下,而且導(dǎo)致在采用軟件實(shí)現(xiàn)圖像算法時(shí)速度過慢。經(jīng)測試,SIFT算法在Core(TM)i5-4210H處理器下運(yùn)行速度只有0.4f/s(幀/秒)左右。因此提升算法速度顯得尤為迫切,尤其在嵌入式領(lǐng)域中,隨著圖像處理應(yīng)用的商業(yè)化,單純用軟件實(shí)現(xiàn)算法,已不能在實(shí)時(shí)性上滿足企業(yè)要求。FPGA以其出色的并行處理能力被應(yīng)用在各行業(yè)中,并且具有高適應(yīng)性、低功耗與低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此,異構(gòu)多核架構(gòu)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生,例如賽靈思公司研發(fā)的Zynq-7000系列平臺(tái),該平臺(tái)將ARM處理器與并行計(jì)算能力較強(qiáng)的FPGA邏輯器件組合在一起,尤為適用于功能豐富、復(fù)雜度高的圖像算法。該平臺(tái)還具有較高的靈活性,其既能在靈活開發(fā)上體現(xiàn)出較大優(yōu)勢,又能加快嵌入式開發(fā)流程,這對(duì)圖像的嵌入式應(yīng)用建立了良好的基礎(chǔ)。通過Zynq平臺(tái)還可構(gòu)建出一套完整的圖像處理系統(tǒng),既可以通過FPGA邏輯資源帶來較快的計(jì)算速度,又能利用ARM處理器來兼顧多樣化的功能,這將對(duì)嵌入式平臺(tái)下高級(jí)圖像處理系統(tǒng)帶來更大的性能提升。本文以SIFT(Scale-invariant feature transform)算法與Sobel算法為例,分析了算法的計(jì)算量與I/O量,結(jié)合Zynq平臺(tái)的特性合理規(guī)劃了軟、硬件的計(jì)算任務(wù)。通過定位算法的瓶頸環(huán)節(jié),運(yùn)用了流水化、并行化、滑窗思想、重構(gòu)函數(shù)等方法進(jìn)行加速優(yōu)化,提升了關(guān)鍵模塊的運(yùn)行速度;同時(shí)通過Vivado搭建了適用于SDSoC的硬件平臺(tái);并且通過使用SDSoC開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了ARM與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)通路以及兩種算法的硬件加速,構(gòu)建了一套完整的圖像處理系統(tǒng)。最終,實(shí)現(xiàn)了SIFT算法相比于軟件方式15倍以上的加速,Sobel算法相比于軟件方式11倍以上的加速,這使得本系統(tǒng)不僅可以作為加速圖像處理的通用平臺(tái),還可以借助于PS與PL端之間的高速數(shù)據(jù)通路廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,甚至實(shí)現(xiàn)商業(yè)化用途。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TN791
【圖文】：

單純用軟件方法來實(shí)現(xiàn)，往往不能達(dá)到預(yù)期的效果各行業(yè)的不斷發(fā)展，基于特征點(diǎn)的檢測算法在物體識(shí)別、圖像匹已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如圖 2.1 所示。而 SIFT 算法作為眾多檢于計(jì)算量較為龐大，在實(shí)時(shí)性方面比 SURF、FAST 等算法有所SIFT 的軟件算法只有 0.3f/s。因此，研究人員為了針對(duì)計(jì)算量大慢問題，展開了各種研究。文獻(xiàn)[9]中實(shí)現(xiàn)了基于 HLS 的 SURF 21f/s。但由于 HLS 生成的 IP 核無法被高級(jí)語言直接調(diào)用，這導(dǎo)缺靈活性。文獻(xiàn)[15]中則實(shí)現(xiàn)了完全基于 FPGA 的 SIFT 算法，處其較高的追求了實(shí)時(shí)性，僅檢測出 73 個(gè) SIFT 特征點(diǎn)，影響了算多工程應(yīng)用中都會(huì)用到圖像的邊緣處理作為基礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)更為bel 算法作為邊緣檢測算法之一，具有較好的的檢測結(jié)果。例如在等方面的應(yīng)用。因此，對(duì)于提升 Sobel 算法的速度就顯得尤為重 實(shí)現(xiàn)了用 FPGA 對(duì) Sobel 算法進(jìn)行加速，具有較高的實(shí)時(shí)性，但其在應(yīng)用上沒有軟件端的支持，缺乏靈活性。

圖 2.2 Zynq-7000 片上系統(tǒng)概況.2 SIFT 算法SIFT 特征是一種算法，它是基于圖像中一些興趣點(diǎn)的重要參考指標(biāo)，并與圖像旋轉(zhuǎn)和大小相關(guān)的因素。并且具有高適應(yīng)性的噪聲，光，和視角的改這些特性之后，獲取物體特征就變的相對(duì)簡單快捷。在數(shù)據(jù)量龐大的特征庫很好的去辨識(shí)物體并且能保證較高的準(zhǔn)確性。對(duì)于被遮擋的物體，SIFT 特檢測其所在位置，最好的情況下僅僅只需要 3 個(gè) SIFT 對(duì)象特征，就可以知的方位。隨著科學(xué)技術(shù)不斷刷新人們的認(rèn)知，SIFT 算法的辨識(shí)速度已經(jīng)可作。對(duì)于 SIFT 算法來說，其更適合在信息量眾多的數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的2.2.1 SIFT 算法的關(guān)鍵步驟SIFT 算法主要通過四個(gè)關(guān)鍵步驟來實(shí)現(xiàn)，如圖 2.3 所示。(1) 檢測極值：計(jì)算出由源圖片生成的所有尺度空間，并在該空間中找尋

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)尺度以及旋轉(zhuǎn)不受影響的預(yù)需要先介紹一下尺度空間的概就是在某一個(gè)尺度空間下的，慢慢變得模糊，這樣就形成了被稱作一系列的尺度，這些尺列的尺度空間呢? 一般情況下可以很好的計(jì)算圖像的尺度空要處理的像素進(jìn)行卷積操作，1）所示，σ被稱為正態(tài)分布的糊。r 在這里被稱作模糊半徑間中假設(shè)模板的大小為 m×n高斯模板的計(jì)算表達(dá)式如公式

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本文編號(hào)：2796636