多媒體處理FPGA實(shí)現(xiàn)

前言

　　數(shù)字圖像、音頻、視頻的多媒體處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，目前處理算法通常是由軟件來(lái)完成的。隨著深亞微米工藝和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，多媒體實(shí)時(shí)硬件處理成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）性能優(yōu)越，資源豐富，采用并行處理方式，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。采用FPGA設(shè)計(jì)靈活，程序和模塊可移植性強(qiáng)，可縮短設(shè)計(jì)周期，減少硬件投資風(fēng)險(xiǎn)。因此，F(xiàn)PGA技術(shù)將會(huì)越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于多媒體處理領(lǐng)域?！　ystem Generator是Xilinx公司的系統(tǒng)級(jí)建模工具，在很多方面擴(kuò)展了MathWorks公司的Simulink平臺(tái)，提供了適合硬件設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）建模環(huán)境，加速和簡(jiǎn)化了FPGA的DSP系統(tǒng)級(jí)硬件設(shè)計(jì)。System Generator提供了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)能力，允許在相同的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行軟／硬件仿真、執(zhí)行和驗(yàn)證，并不需要書(shū)寫(xiě)HDL代碼。此外，SystemGenerator工具還能完成高級(jí)的提取，自動(dòng)編譯生成FPGA代碼，也可通過(guò)低級(jí)的提取，對(duì)FPGA的底層資源進(jìn)行訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)高效率的FPGA設(shè)計(jì)構(gòu)建。目前，基于SystemGenerator的設(shè)計(jì)方法已在復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中展現(xiàn)了強(qiáng)大的潛能，必將成為未來(lái)主流的FPGA開(kāi)發(fā)技術(shù)之一?！　”緯?shū)介紹了使用System Generator在Xilinx FPGA上進(jìn)行音頻、圖像、視頻等多媒體處理的開(kāi)發(fā)過(guò)程和方法，包括多媒體技術(shù)原理、FPGA和EDA工具基礎(chǔ)、System Generator的操作方法以及使用System Generator進(jìn)行多種多媒體處理的開(kāi)發(fā)知識(shí)。全書(shū)共分13章，可分為5個(gè)部分，其中第1～2章為理論、器件和開(kāi)發(fā)工具概述部分，包括多媒體處理基礎(chǔ)、Xilinx公司FPGA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、EDA開(kāi)發(fā)工具的使用和FPGA的開(kāi)發(fā)流程介紹；第3～4章為System Generator介紹和分析部分，包括軟件基礎(chǔ)介紹、軟件模塊重點(diǎn)分析，是以后各章學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)；第5章為音頻處理開(kāi)發(fā)部分，包括多種音頻處理理論和實(shí)現(xiàn)方法的的介紹；第6～12章為圖像處理開(kāi)發(fā)部分，包括圖像基本處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像形態(tài)學(xué)運(yùn)算、邊緣檢測(cè)和分割、圖像正交變換和彩色圖像處理幾部分內(nèi)容的理論和實(shí)現(xiàn)方法介紹；第13章為視頻處理開(kāi)發(fā)部分，包括視頻處理理論和實(shí)現(xiàn)方法介紹，并且提供了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用實(shí)例?！　”緯?shū)可作為從事Xilinx系列FPGA多媒體處理算法設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員的自學(xué)教材和參考書(shū)，同時(shí)，也可作為大專院校圖像處理、音視頻處理、電子信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生的課程教材、上機(jī)教材和課程設(shè)計(jì)素材?！　”緯?shū)的配套光盤(pán)包含了書(shū)中全部System Generator開(kāi)發(fā)和應(yīng)用實(shí)例，大部分實(shí)例制作成了ISE工程，方便讀者查看和使用。書(shū)中參考和引用了國(guó)內(nèi)外同行的著作、論文以及網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)相關(guān)作者一并表示深深的謝意?！　《嗝襟w技術(shù)和基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)容博大精深，一本書(shū)不可能覆蓋方方面面的內(nèi)容，作者期待通過(guò)對(duì)原理、方法和開(kāi)發(fā)實(shí)例的介紹，使讀者建立起對(duì)多媒體處理和FPGA技術(shù)的宏觀認(rèn)識(shí)，掌握一種基本的開(kāi)發(fā)方法和流程，起到拋磚引玉的作用。由于水平和時(shí)間有限，書(shū)中難免有錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)結(jié)合Xilinx公司ISE Design Suite 10．1的System Generator和Mathworks公司MATLAB R2007b的Simulink兩種EDA工具，系統(tǒng)地講述了多媒體處理技術(shù)的原理和使用System Generator開(kāi)發(fā)FPGA的方法。全書(shū)共13章，分別介紹了多媒體技術(shù)原理、FPGA和EDA工具基本知識(shí)、System Generator的基礎(chǔ)和模塊分析、音頻處理、圖像的基本處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像的形態(tài)學(xué)運(yùn)算、圖像邊緣檢測(cè)和分割、圖像正交變換、彩色圖像處理和視頻處理，內(nèi)容涵蓋了應(yīng)用于音頻、圖像和視頻三個(gè)領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理的FPGA技術(shù)。書(shū)中提供了實(shí)例的完整源代碼，大部分由作者原創(chuàng)，通過(guò)這些開(kāi)發(fā)實(shí)例，讀者可以學(xué)習(xí)到基于FPGA多媒體處理的大量實(shí)用技巧?！　”緯?shū)適合從事Xilinx系列FPGA多媒體處理算法設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員，以及圖像處理、音視頻處理等相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生使用。

書(shū)籍目錄

第1章 多媒體技術(shù)概述  　1.1 聲音和音頻處理基礎(chǔ)  　1.2 圖形學(xué)基礎(chǔ)  　1.3 圖像處理基礎(chǔ)  　　1.3.1 數(shù)字圖像常用概念  　　1.3.2 數(shù)字圖像的表示  　　1.3.3 數(shù)字圖像處理的發(fā)展和應(yīng)用  　　1.3.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)  　　1.3.5 數(shù)字圖像處理內(nèi)容  　1.4 色度學(xué)基礎(chǔ)  　　1.4.1 色度學(xué)基本概念  　　1.4.2 RGB模型  　　1.4.3 CMYK模型  　　1.4.4 HSI模型  　　1.4.5 CIE模型  　1.5 視頻處理基礎(chǔ)  　　1.5.1 視頻原理  　　1.5.2 彩色電視制式  　　1.5.3 CIF、QCIF、SQCIF和高清格式  　　1.5.4 YUV和RGB采樣格式  　　1.5.5 視頻文件格式  　1.6 機(jī)器視覺(jué)  　　1.6.1 視覺(jué)原理  　　1.6.2 機(jī)器視覺(jué)概述和分類  　　1.6.3 立體視覺(jué)  　　1.6.4 標(biāo)定  　　1.6.5 三維場(chǎng)景表示  　1.7 多媒體處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用  　1.8 本章小結(jié)  第2章 FPGA技術(shù)和EDA軟件  　2.1 Xilinx FPGA簡(jiǎn)介  　2.2 Spartan-3E FPGA簡(jiǎn)介  　　2.2.1 Spartan-3E FPGA  　　2.2.2 Spartan-3E系列FPGA結(jié)構(gòu)說(shuō)明  　2.3 Spartan-3E入門(mén)套件  　2.4 ISE組件介紹和安裝方法  　2.5 ISE工作環(huán)境  　2.6 MATLAB和Simulink簡(jiǎn)介  　2.7 MATLAB和Simulink的安裝方法  　2.8 MATLAB和Simulink工作環(huán)境  　2.9 FPGA開(kāi)發(fā)流程  　2.10 本章小結(jié)  第3章 System Generator基礎(chǔ)  　3.1 System Generator概述  　　3.1.1 System Generator安裝  　　3.1.2 System Generator主要特征  　3.2 System Generator開(kāi)發(fā)流程  　　3.2.1 搭建System Generator模型  　　3.2.2 仿真驗(yàn)證  　　3.2.3 HDL代碼生成  　　3.2.4 ISE編譯  　　3.2.5 硬件細(xì)節(jié)觀察  　　3.2.6 比特文件下載  　3.3 本章小結(jié)  第4章 System Generator模塊分析  　4.1 模塊列表  　4.2 基本模塊  　　4.2.1 System Generator模塊  　　4.2.2 WaveScope模塊  　　4.2.3 FPGA邊界模塊  　　4.2.4 Delay和Register模塊  　　4.2.5 Counter模塊  　　4.2.6 Relational模塊  　　4.2.7 ChipScope模塊  　4.3 運(yùn)算相關(guān)模塊  　　4.3.1 AddSub模塊  　　4.3.2 Invert和Negate模塊  　　4.3.3 除法模塊  　4.4 數(shù)據(jù)格式相關(guān)模塊  　4.5 移位相關(guān)模塊  　4.6 速率相關(guān)模塊  　4.7 濾波器相關(guān)模塊  　4.8 MCode模塊  　4.9 存儲(chǔ)相關(guān)模塊  　4.10 Subsystem模塊  　4.11 硬件協(xié)仿真模塊  　　4.11.1 硬件協(xié)仿真模塊生成  　　4.11.2 硬件協(xié)仿真模塊使用  　4.12 本章小結(jié)  第5章 音頻處理  第6章 圖像的基本處理  第7章 圖像增強(qiáng)  第8章 圖像退化復(fù)原  第9章 圖像形態(tài)學(xué)處理  第10章 圖像邊緣檢測(cè)與分割  第11章 圖像正交變換  第12章 彩色圖像處理  第13章 視頻處理  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　（8）圖像重建　　圖像重建與其他圖像處理方法不同，是利用采集的數(shù)據(jù)來(lái)重建出圖像，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，輸出的是經(jīng)過(guò)處理后的圖像。主要算法有代數(shù)法、迭代法、傅里葉投影法等，使用最廣泛的是卷積反投影法。目前圖像重建技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，將多個(gè)二維圖像進(jìn)行三維重建，并加以光照模型和各種渲染技術(shù)，形成真實(shí)感圖像?！　?.圖像分析和理解的智能處理　?。?）圖像特征分析　　圖像特征分析是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)量和提取，以建立對(duì)圖像的描述。常用的特征有顏色、紋理、形狀等。目前，圖像內(nèi)容的描述主要采用圖像的特征及其組合?！　。?）圖像形態(tài)學(xué)處理　　圖像形態(tài)學(xué)是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的一個(gè)延伸，是一種應(yīng)用于圖像處理和模式識(shí)別的領(lǐng)域的新的方法。通過(guò)分析幾何形狀和結(jié)構(gòu)，利用集合論方法進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)描述的圖像處理方法。圖像的形態(tài)學(xué)運(yùn)算包括腐蝕、膨脹、細(xì)化和分割等?！　。?）圖像配準(zhǔn)　　圖像配準(zhǔn)是指同一目標(biāo)的兩幅（或者兩幅以上）圖像在空間位置上的對(duì)準(zhǔn)。常用的方法有基于灰度法和基于圖像特征法。前者是利用整幅圖像的灰度信息，尋找兩幅圖像相似性度量值最大或最小變換模型的參數(shù)值；后者首先提取各類圖像中保持不變的特征，如邊緣點(diǎn)、閉區(qū)域的中心等，然后進(jìn)行特征匹配、選取變換模型及求取參數(shù)、坐標(biāo)變換與插值等?！　。?）圖像融合　　圖像融合是信息融合的一個(gè)分支，通過(guò)某種融合機(jī)制，綜合利用了多個(gè)波段圖像的優(yōu)勢(shì)信息，可達(dá)到對(duì)目標(biāo)或場(chǎng)景更為精確、全面的識(shí)別、分析和判決。按照融合的處理體系，圖像融合可分為三個(gè)層次：像素級(jí)（數(shù)據(jù)級(jí)）融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。目前像素級(jí)圖像融合算法主要有加權(quán)平均算法、調(diào)制算法、金字塔多分辨率法、小波多分辨率法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?！　。?）圖像分類　　圖像分類是對(duì)圖像進(jìn)行分析，把圖像中的每個(gè)像元或區(qū)域劃歸為若干個(gè)類別中的一種，以代替人的視覺(jué)判讀。它是一種模式識(shí)別的過(guò)程，如通過(guò)對(duì)遙感傳感器接收到的電磁波輻射信息的特征分析來(lái)識(shí)別物的類型。

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