基于FPGA的大场景图像融合可视化系统的研究与设计

论文摘要

随着图像处理技术和投影技术的不断发展,人们对高沉浸感的虚拟现实场景提出了更高的要求,这种虚拟显示的场景往往由多通道的投影仪器同时在屏幕上投影出多幅高清晰的图像,再把这些单独的图像拼接在一起组成一幅大场景的图像。而为了给人以逼真的效果,投影的屏幕往往被设计为柱面屏幕,甚至是球面屏幕。当图像投影在柱面屏幕的时候就会发生几何形状的变化,而避免这种几何变形的就是图像拼接过程中的几何校正和边缘融合技术。一个大场景可视化系统由投影机、投影屏幕、图像融合机等主要模块组成。在虚拟现实应用系统中,要实现高临感的多屏幕无缝拼接以及曲面组合显示,显示系统还需要运用几何数字变形及边缘融合等图像处理技术,实现诸如在平面、柱面、球面等投影显示面上显示图像。而关键设备在于图像融合机,它实时采集图形服务器,或者PC的图像信号,通过图像处理模块对图像信息进行几何校正和边缘融合,在处理完成后再送到显示设备。本课题提出了一种基于FPGA技术的图像处理系统。该系统实现图像数据的A/D采集、图像数据在SRAM以及SDRAM中的存取、图像在FPGA内部的DSP运算以及图像数据的D/A输出。系统设计的核心部分在于系统的控制以及数字信号的处理。本课题采用Xilinx Virtex4系列FPGA作为主处理芯片,并利用Verilog HDL硬件描述语言在FPGA内部设计了A/D模块、D/A模块、SRAM、SDRAM以及ARM处理器的控制器逻辑。本课题在FPGA图像处理系统中设计了一个ARM处理器模块,用于上电时对系统在图像变化处理时所需参数进行传递,并能实时从上位机更新参数。该设计在提高了系统性能的同时也便于系统扩展。本文首先介绍了图像处理过程中的几何变化和图像融合的算法,接着提出了系统的设计方案及模块划分,然后围绕FPGA的设计介绍了SDRAM控制器的设计方法,最后介绍了ARM处理器的接口及外围电路的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 大屏幕拼接技术的产生背景
• 1.2 国内外研究和发展现状
• 1.3 课题的目的和意义
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 作者的主要工作
• 第二章 投影拼接中的图像处理技术
• 2.1 图像几何校正
• 2.1.1 几何运算实现方式
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 灰度插值
• 2.2 图像融合拼接
• 2.2.1 颜色校正
• 2.2.2 亮度融合
• 2.3 本章小结
• 第三章 FPGA 系统及硬件描述语言介绍
• 3.1 FPGA 技术的介绍
• 3.1.1 FPGA 逻辑设计方式
• 3.1.2 FPGA 芯片设计流程
• 3.2 硬件描述语言介绍
• 3.3 硬件描述语言的设计流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 图像处理系统的方案设计
• 4.1 传统图像处理系统原理
• 4.2 本系统总体方案的设计
• 4.3 本系统的各模块划分及其接口设计
• 4.3.1 系统的模块介绍
• 4.3.2 系统各模块的接口设计
• 4.4 FPGA 图像处理模块
• 4.5 FPGA 内部的数字运算
• 4.5.1 DSP48 模块介绍
• 4.5.2 乘累加模块的构建
• 4.6 FPGA 设计思想与技巧
• 4.7 本章小结
• 第五章 存储设备控制器的研究与设计
• 5.1 外部存储器的介绍
• 5.2 系统存储器件的选择
• 5.3 SDRAM 基本介绍
• 5.4 SDRAM 的基本操作命令
• 5.5 SDRAM 控制器的设计
• 5.5.1 SDRAM 控制器接口设计
• 5.5.2 控制器主要功能操作
• 5.5.3 SDRAM 控制器的FPGA 实现及仿真时序
• 5.6 本章小结
• 第六章 ARM 处理器的接口及外围电路设计
• 6.1 ARM 嵌入式处理器介绍
• 6.1.1 ARM 处理器概述
• 6.1.2 S3C2410 体系结构
• 6.1.3 S3C2410 的工作原理
• 6.2 ARM 处理器接口设计
• 6.3 ARM 外围电路设计
• 6.3.1 CPU 主控模块
• 6.3.2 SDRAM 存储器
• 6.3.3 Flash 存储器
• 6.3.4 Ethernet 接口
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果