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    图像缩放算法的研究与FPGA设计

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    图像缩放算法的研究与FPGA设计

    上海大学硕士学位论文图像缩放算法的研究与FPGA设计姓名刘婧申请学位级别硕士专业电工理论与新技术指导教师冉峰20090101上海大学硕士学位论文摘要SCALER是平板显示器件FPD,FLATPANELDISPLAY中的重要组成部分,它将输入源图像信号转换成与显示屏固定分辨率一致的信号,并控制其显示在显示屏上。本文在研究图像缩放算法和SCALER在FPD中工作过程的基础上,采用自上而下TOP.DOWN的设计方法,给出了SCALER的设计及FPGA验证。该SCALER支持不同分辨率图像的缩放,且缩放模式可调,也可以以IPCORE的形式应用于相关图像处理芯片中。图像缩放内核是SCALER的核心部分,它是SCALER中的主要运算单元,完成图像缩放的基本功能,它所采用的核心算法以及所使用的结构设计决定着缩放性能的优劣,也是控制芯片成本的关键。因此,本文从缩放内核的结构入手,对SCALER的总体结构进行了设计;通过对图像缩放中常用算法的深入研究提出了一种新的优化算法矩形窗缩放算法,并对其计算进行分析和简化,降低了计算的复杂度。FPGA设计中,采用列缩放与行缩放分开处理的结构,使用双口RAM作为两次缩放间的数据缓冲区。使用这种结构的优势在于行列缩放可以同时进行,数据处理的可靠性高、速度快内核结构简单明了,数据缓冲区大小合适,便于设计。此外,本文还介绍了其他辅助模块的设计,包括DVI接口信号处理模块、缩放参数计算与控制模块以及输出信号检测与时序滤波模块。本设计使用VERILOGHDL对各模块进行了RTL级描述,并使用QUARTUSII7.2进行了逻辑仿真,最后使用ALTERA公司的FPGA芯片来进行验证。通过逻辑验证和系统仿真,证明该SCALER的设计达到了预期的目标。对于不同分辨率的图像,均可以在显示屏上得到稳定的显示。关键词平板显示器、SCALER、矩形窗缩放算法、FPGAV上海大学硕士学位论文ABSTRACTSCALERISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPARTSOFFPDFLATPANELDISPLAY,WHICHCONVERTSTHESOURCEIMAGESIGNALINTOTHATWITHTHESAMERESOLUTIONASFPD,ANDTHENMAKESITDISPLAYEDONFPD.BASEDONTHERESEARCHOFIMAGESCALINGALGORITHMANDTHEANALYSISOFSCALER,THEDISSERTATIONCHOOSESATOPDOWNDESIGNTOPOLOGYTOFULFILLTHEDESIGNOFSCALERANDIMPLEMENTSITSVERIFICATIONINFPGA.OURSCALERISABLETOSUPPORTSCALINGOPERATIONTOIMAGESWITHDIFFERENTRESOLUTIONINADJUSTABLEMODES.BESIDES,ITCALLBEINTEGRATEDINOTHERIMAGEPROCESSINGCHIPSINTHEFORMOFIPCORE.IMAGESCALINGCOREISTHEKEYPARTANDMAINCOMPUTINGUNITINSCALER,WHICHIMPLEMENTSTHEBASICFUNCTIONOFIMAGESCALING.THEUTILIZEDCOREALGORITHMASWELLASSTRUCTUREDETERMINESTHESCALINGPERFORMANCEANDCOSTOFCHIPDESIGN.THEREFORE,THEWHOLESTRUCTUREOFSCALERISDESIGNEDSTARTING、析MTHEANALYSISOFSCALINGCORE.ITALSOBRINGSUPANEWOPTIMIZEDALGORITHMWINDOWSCALINGALGORITHMONTHEBASEOFRESEARCHINTHECLASSICALIMAGESCALINGALGORITHMANDTHENSIMPLIFIESTHECALCULATIONTOREDUCETHECOMPUTINGCOMPLEXITY.INFPGAIMPLEMENTATION,OURDESIGNSEPARATESTHESCALINGINTOCOLUMNPRESCALINGANDROWSCALINGANDUTILIZESDRAM嬲DATABUFFER.THEADVANTAGESOFTHISSTRUCTUREAREASFOLLOWS.COLUMNANDROWSCALINGAREABLETOOPERATEATTHESAMETIME、ⅣITLLTLIGLLRELIABILITYANDFASTSPEEDINDATAPROCESSING.WITHTHESIMPLECORESTRUCTURE,ITISCONVENIENTTOFULFILLTHEDATABUFFERDESIGNWITHSUITABLESIZE.THEDISSERTATIONALSOPRESENTSTHEDESIGNOFOTHERAUXILIARYMODULE,INCLUDINGDVIINTERFACESIGNALPROCESSINGMODULE,SCALINGPARAMETERCOMPUTINGANDCONTROLLINGMODULEASWELLASOUTPUTSIPDETECTIONANDTIMINGFILTERMODULE.111EDESIGNFIRSTMAKESRTLDESCRIPTIONTOALLTHEMODULESWITHVERILOGHDL,THENPERFORMSLOGICSIMULATION、7LRIMEDATOOLSANDATLAST,COMPLETESTHECERTIFICATIONWITHFPGACHIPSFROMALTERA.THEDISSERTATIONINTRODUCESTHEBUILDINGOFFPGAVERIFICATIONPLATFORMANDTESTINGINIT,ANDTHENVERIFIESTHATTHEDESIGNOFSCALERACHIEVESTHEDESIREDOBJECTIVES.FORIMAGESWITHDIFFERENTRESOLUTION,THEYCANBESTABLYDISPLAYEDINFPD.KEYWORDSFLATPANELDISPLAY,SCALER,WINDOWSCALING,FPGAVI上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名三啦LEL期鱼蚪本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定,II.学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。保密的论文在解密后应遵守此规定Ⅱ珥吼钾上海大学硕士学位论文1.1引言第一章绪论图像缩放技术是平板显示器FPD,FLATPANELDISPLAY中视频图像处理的关键技术之一,它直接影响了视频图像的显示效果。SCALER即是FPD中完成图像缩放功能的芯片,它可以为显示屏提供可靠的图像缩放引擎和图像增强处理,以满足不同用户、不同应用环境的需求。本课题即是针对SCALER芯片中使用的算法进行研究并加以实现,其算法的选取和硬件结构的设计直接影响到图像缩放的效果和硬件实现的成本。1.2平板显示技术发展现状与趋势伴随着现代信号处理技术和大规模集成电路技术的飞速发展,显示技术正在发生一场革命,平板显示‘1】【2】FPD,FLATPANELDISPLAY技术以其低功耗、小型化、数字化、便携式、多功能越来越受人们的青睐,已可与阴极射线管显示器CRT,CATHODERAYTUBE相抗衡,正成为新世纪的主流显示技术。平板显示一般是指显示器件的深度小于显示屏幕对角线1/4长度的显示技术【3】。按工作原理的不同,平板显示器可分为液晶显示LCD41、等离子体显示PDP【51、电致发光显示ELD【6】、有机发光二极体显示OLED【7】【8】、场发射显示FED【91、真空荧光显示VFDU01和发光二极管拼接显示【111等。就目前来看,LCD、PDP及OLED成为平板显示的三大支柱。下面对几种平板显示技术的基本特征进行概述,以比较异同及发展前景。1.液晶显示技术LCD,LIQUIDCRYSTALDISPLAYLCD有“第二半导体”的称谓,它具有低工作电压、功耗小、重量轻、厚度薄、长寿命、无电磁辐射、不耀眼、抗干扰性好、抗震

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