“共轭变换”图像处理算法在FPGA 上实现的研究

1、论文选题的国内外研究动态及现状
    “共轭变换”图像处理算法是一种新的图像处理算法。该算法分两个阶段完成：“共轭分类”与“共轭变换”。“共轭分类”使用逻辑集合，拓扑结构和几何变量将图像的点阵结构组成的状态集组织成多级分层结构。“共轭变换”则基于所选择的“共轭分类”的层次，对图像进行统一、高效的全局变换。

       与经典的图像处理算法（例如，细胞自动机、数学形态学、细胞逻辑计算等，这些算法的缺陷是，它们基于图像的局部表示的局部样式进行分类）相比，“共轭变换”算法则用一种平衡的策略将图像的所有局部样式分类为层次结构。

       该算法之所以取名为“共轭变换”是因为该算法源于最简单的0-1的对称性——共轭性质，它是对平衡的一种扩展。共轭变换由于基于多变量和多级分层结构，它支持灵活的可选择性且较其他算法更为高效（在矩形格上检测线性结构网络时，利用“共轭变换”要比用细胞逻辑计算快42-48倍）。

       “共轭变换”算法由郑智捷教授在澳留学与工作期间创立。1994年，他在澳大利亚Monash大学发表了他的博士论文《在规则平面格上黑白图像共轭变换》，标志着该理论已经进入成熟阶段。目前，该算法已经由郑教授在PC上完全实现（Conjugate Structured Image Enhancer——CSIE，该程序用Java编写，只需Java Runtime运行环境就可在任何推荐配置以上的PC上运行）。通过近十年来的实验证明，在微光图像，红外图像，X光图像处理领域，“共轭变换”图像处理算法有着优异的性能，这与这些图像本身的特点和“共轭变换”算法基于统一、平衡的思想是密不可分的。

       近年来，微光图像，红外图像，x光图像在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛，由于以下三方面的原因，使得我国近年来在实时图像处理器的研究方面得到了迅速的发展：

(1) 由于这些成像器件自身存在的缺陷，造成了成像的效果并不太理想，需要对图像进行适当的处理，以得到适合人眼观察或机器识别的图像；

(2) 工程应用中，在很多情况下对图像处理的实时性的有很高的要求，这就使得各行各业对实时图像处理器的需求越来越迫切；

(3 ) 由于近些年来微电子的迅速发展，使得可编程器件（FPGA/CPLD/DSP等）的功能越来越强，速度越来越快，容量越来越大，这就为实时处理器的研制提供了良好的条件。

       也正因为此，急需要将性能高效、优异的“共轭变换”图像处理算法应用于实时图像处理器当中，以扩大该算法的应用面，增强其实用价值。日前，郑教授本人正在与昆明理工大学CTI实验室合作，对于如何运用EDA技术在可编程器件上实现“共轭变换”算法及其应用进行探索与研究，本研究课题就是在这样的情况下应运而生的。

2、研究内容、试验设计方案

研究内容：

       ·EDA开发环境的建设及EDA技术的学习 

       ·“共轭变换”算法在“微光图像”实时处理领域中的应用

       ·“微光图像增强器”视频流输入输出接口的设计与实现

·“共轭变换”图像处理算法在FPGA上的初步实现与验证

试验设计方案：

·购置EDA开发学习环境并通过实例学习VHDL硬件设计语言

·使用CSIE程序对微光图像增强进行研究

·设计“微光图像处理器实验电路板”及视频流输入输出接口

·用VHDL实现“共轭变换”算法内核

·连机调试

3、必备的实验条件、设备、存在的主要问题

实验条件：

需要进行EDA开发所必需的软件、硬件开发环境，包括设计输入、仿真验证、逻辑综合软件、电路设计与开发软件，EDA开发板、高频示波器、电路焊接设备等硬件设备，EDA技术外部支持

软件环境：

·ISE 6.2i——Xilinx EDA综合开发环境

·ModelSim6.0——Modetech仿真环境

·Synplify7.7——Synplicity逻辑综合软件

·Protel DXP 2004

实验设备：

       ·数字示波器

       ·DP-FPGA——致远公司FPGA学习开发板

·VGA—PAL转换设备——该设备可作为视频输入源

·各类接插件，面包板，万用表等常电工常用工具

·电路焊接设备

主要问题：

·EDA开发经验不足，需要外部技术支持；EDA技术掌握深度不够，需努力加强

·EDA开发环境建设费用高，研究生科研经费不足，需实验室补贴

·由于选用芯片引脚间距尺寸小，无法在昆明本地完成电路板的制作

4、进度安排，完成论文工作的时间

·2004.3—2004.4 查阅和收集资料、学习EDA开发环境，完成开题报告

·2004.4—2004.5 了解“共轭变换”图像处理算法的基本知识

·2004.5—2004.6 用CSIE程序研究“微光图像”处理

·2004.6—2004.9 设计“微光图像增强器”电路并搭建实验环境

·2004.9—2005.2 用VHDL设计“共轭变换”算法内核

·2005.2—2005.3 系统的测试

·2004.4—2005.5 论文撰写、评阅与答辩

5、预期结果

·实现VHDL“共轭变换”算法简化版的开发并使其能够在FPGA上进行实验验证

·完成“微光图像增强处理电路板”中模拟视频输入输出接口的设计与开发

·联机测试，可看到对原始微光图像的增强效果