基于DSP/FPGA的景象匹配算法快速实现研究

论文摘要

高精度制导武器在现代军事上的应用日益广泛,景象匹配制导是提高制导武器精度的一个重要手段。在景象匹配制导系统中,实时性是匹配系统的一个重要性能指标。本课题以一块TMS320C6711D为核心的DSP与FPGA相结合的实时图像采集处理板为依托,对如何提高景象匹配系统实时性做了广泛而深入的研究。论文的主要工作如下:1.介绍了景象匹配制导系统的组成和原理,重点阐述了实时图像采集处理模块的结构和功能,并介绍了以TMS320C6711D为核心的图像采集处理板的组成及工作原理。2.研究了景象匹配算法的四个要素、图像畸变类型和算法类型。提出了一种基于灰度特征编码的景象匹配算法,给出了算法实现的原理、流程及具体实现,对算法结果进行了分析,并对算法在各种噪声、亮度以及不同分辨率条件下的匹配效果进行了研究,实验证明该算法具有良好的适应性和鲁棒性。3.探讨了图像预处理算法在FPGA中实现的意义,并在FPGA中实现了中值滤波算法,阐述了算法实现的方案、流程以及关键模块的设计方法。该算法以最小的硬件资源代价换取了良好的预处理效果,控制逻辑简单,时序安排合理,不占用DSP额外的数据读取时间,提高了系统实时性。4.在FPGA中实现了SDRAM控制器的设计。介绍了SDRAM的组成和工作原理,其中包括初始化过程、控制命令、读写操作等。通过简化控制器的状态和工作流程,使控制器设计的复杂度大大降低,并且节省了系统资源,最大限度的发挥了SDRAM的优势,提高了系统实时性。5.探讨了复杂算法在通用计算机或DSP中加速实现的方法。研究了基于灰度特征编码的匹配算法在系统中加速实现的方法。根据算法的特点将其分为两部分:编码部分在DSP中完成,NNPROD度量模块在FPGA中实现,并给出了NNPROD算法在FPGA中实现的硬件框图以及每个模块的设计方法。IP核的使用让设计高效快速,最后通过仿真验证了算法实现的可行性,提高了景象匹配的速度。论文的最后,对本文所作的工作进行了总结,对今后的研究和发展做了进一步的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 相关技术动态
• 1.2.1 实时图像处理系统的发展
• 1.2.2 算法硬件实现和IP 核
• 1.3 课题的任务需求及研究意义
• 1.3.1 课题的任务需求
• 1.3.2 课题研究的意义
• 1.4 论文主要内容及章节安排
• 第二章 景象匹配制导系统
• 2.1 景象匹配制导系统的原理
• 2.2 景象匹配系统的结构
• 2.2.1 系统硬件结构设计方案
• 2.2.2 各模块的功能和结构
• 2.3 实时图像处理系统的组成
• 2.4 课题研究的环境
• 2.4.1 ISE 9.1 硬件开发环境
• 2.4.2 ModelSim 硬件综合仿真环境
• 2.5 本章小结
• 第三章 景象匹配算法
• 3.1 匹配算法关键要素
• 3.2 图像畸变类型
• 3.3 匹配算法分类
• 3.3.1 基于灰度区域的匹配算法
• 3.3.2 基于图像特征的匹配算法
• 3.3.3 算法的选择
• 3.4 基于灰度特征编码的快速景象匹配方法
• 3.4.1 算法原理
• 3.4.2 算法步骤
• 3.4.3 算法时间复杂度
• 3.4.4 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 中值滤波器的FPGA 实现
• 4.1 FPGA 简介
• 4.2 滤波算法原理
• 4.3 中值滤波算法的硬件化
• 4.3.1 问题的提出
• 4.3.2 算法总体实现方案
• 4.3.3 设计方法的选择
• 4.3.4 各模块的逻辑实现
• 4.3.5 仿真结果及分析
• 4.3.6 下载和配置
• 4.3.7 算法实现效果
• 4.4 本章小结
• 第五章 SDRAM 控制器在FPGA 中的实现
• 5.1 SDRAM 的基本结构
• 5.2 SDRAM 控制器的操作原理
• 5.2.1 SDRAM 的初始化
• 5.2.2 SDRAM 的控制命令
• 5.2.3 SDRAM 的读写时序
• 5.3 SDRAM 控制器的设计
• 5.3.1 SDRAM 的状态转移图
• 5.3.2 状态机的设计与实现
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 景象匹配算法的硬件快速实现
• 6.1 算法加速实现方法
• 6.1.1 软件优化
• 6.1.2 硬件优化
• 6.2 匹配算法FPGA 实现方案
• 6.2.1 算法实现分析
• 6.2.2 硬件结构设计
• 6.2.3 NNPROD 算法实现
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 论文工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间撰写的论文