基于FPGA的一种色空间转换算法的设计与实现

摘要

由于硬件对于图像处理具有良好的加速性能，因此国内外近年来更多地采用了可编程逻辑门阵列(FPGA)作为图像处理系统的芯片。CMOS图像传感器的使用降低了数码相机的成本和体积，传感器采集到的数据通过插值，得到的每个像素点由红、绿、蓝三个分量组成。色空间转换是指把一个色彩空间中的颜色数据转换或表示成另一个色彩空间中的相应数据，其目的是为了将图像中的色调、饱和度等色彩分量区分处理。
　　论文首先介绍了数字图像预处理的国内外研究现状，详细分析了几种色空间转换的基本原理。然后，对几种色空间转换算法进行了研究，并对比分析了算法的性能。论文重点研究了RGB色彩空间转换成HSI色彩空间算法的硬件实现及优化，以满足实时性的要求。
　　论文采用自顶向下的设计方法。使用Verilog HDL完成了除法器、三输入最小值模块、RGB转换YCbCr色彩空间设计、RGB转换HSI色彩空间等关键模块的RTL设计。使用Modelsim软件完成了各个模块和系统的功能仿真，并给出了对应的仿真结果。通过Vivado软件进行了设计综合、布局布线，给出了RTL结构图和逻辑资源使用情况。功能仿真和FPGA验证结果表明，本文设计的色空间转换算法的功能正确。
　　最后，论文总结了设计中的不足并提出了今后进一步的研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 数字图像处理的发展

1．3 研究目的

1．4 基于FPGA的图像处理技术国内外研究现状

1．5 本文主要研究工作

第二章 图像处理

2．1 色彩空间的基本概念

2．2 常用的色彩空间

2．2．1 RGB色彩空间

2．2．2 YuV色彩空间

2．2．3 HSI色彩空间

2．3 RGB与YCbCr相互转换

2．4 RGB与HSI相互转换

2．4．1 从RGB色彩空间转换为HSI空间

2．4．2 从HSI色彩空间转换为RGB空间

2．4．3 RGB空间转换为HSI色彩空间几种常见方法

2．5 Matlab仿真对比

2．6 本章小结

第三章 算法的硬件设计及实现

3．1 FPGA平台介绍

3．2 FPGA开发流程

3．3 系统设计与模块划分

3．4 子模块设计与使用

3．4．1 图像传感器

3．4．2 嵌入式控制模块——MicroBlaze软核

3．4．3 存储模块

3．4．4 查找表设计

3．4．5 除法器设计

3．5 色空间转换模块设计

3．5．1 RGB与YCbCr色空间相互转换

3．5．2 RGB与HSI色空间相互转换

3．6 本章小结

第四章 仿真验证与结果分析

4．1 软硬件仿真环境

4．2 子模块设计

4．2．1 ROM查找表设计

4．2．2 16位除法器设计

4．2．3 三输入最小值模块设计

4．3 RGB转换YCbCr色空间模块

4．4 RGB转换HSI色空间模块

4．5 设计综合

4．6 FPGA仿真与Matlab实现对比

4．7 FPGA平台实现

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表论文