基于FPGA的像移探测技术研究
视频图像序列的清晰度和所包含的信息量在很大程度上影响人们对各种信息掌握和判断.但在移动的视频成像系统中,比如车载、船载、星载、手持等成像设备,通常情况下成像载体都会存在不同程度的机械抖动和随机抖动,导致像移的产生,从而带来了成像模糊或拖尾效应.稳像技术可以降低甚至消除摄像装置由于随机运动或抖动导致图像序列画面模糊的现象.而稳像技术的关键在于高精度实时地获取随机像移量,也即稳像系统成像的效果和精度直接决定于像移偏移量测量的准确性.本文首先介绍了课题研究的背景及意义,并调查了稳像技术研究的动态与发展趋势,在此基础上对目前像移测量系统硬件平台现状做了介绍.其次,分析了像移的影响及成因,分别从算法的精度、鲁棒性以及计算效率对像移算法性能提升进行了研究,为之后基于FPGA的像移测量算法的研究打下了坚实的基础.课题重点研究了三种像移测量算法,在对传统的联合变换相关器法和相位相关法基本原理介绍的基础上,提出了各自优化后更适于FPGA处理的算法.分析了子图像尺寸、相对位移量、阈值选取以及图像畸变等因素对改进后像移测量算法精度的影响,之后提出了基于角点相关的运动矢量测量算法.三种算法都在Matlab环境下模拟FPGA中处理机制进行了大量的仿真验证工作,经仿真像移测量RMS误差均可控制在0.1个像元之内.在分析了三种算法优缺点后最终确定在FPGA中现实优化后的相位相关法.然后,设计了基于FPGA像移测量的硬件电路,包括系统设计论证、总体框架设计、器件选型、原理图设计以及最终硬件电路的检测.最后,对算法进行工程化,系统主要分为图像序列的采集、中间结果的缓存、算法的具体处理和结果的输出.核心算法涉及到图像序列的加窗处理、各种数学运算使用、FFT算法、求模运算和浮点数的计算等.系统的设计使用Verilog HDL硬件语言,在Xilinx程序设计工具ISE环境下进行综合与实现,应用Modelsim软件对各个模块进行了仿真工作,并在FPGA处理板上进行了下载测试验证.实验结果表明,本文设计的基于FPGA的像移探测系统工作稳定,结果的输出可以达到每秒400多个像移量,几乎不存在丢帧现象.静态测量精度可以达到小数点后两位,动态测量得到的像移量经处理后的曲线与信号发生器产生的波形一致.同时,文章最后对本课题在概况总结的基础上进行了展望,并指出了系统需要改进的地方,对于其它像移测量系统设计具有一定的借鉴意义.
- 作者：
- 鲁昊
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 电子与通信工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 宋宗玺
- 中图分类号：
- TP391.41
- 关键词：
- 像移测量；FPGA；优化的相位相关；FFT；高速图像采集
- image motion measurement； FPGA； optimized phase correlation； FFT； high speed image acquisition