数字图像处理论文文献综述

数字图像处理论文文献综述
文献综述
图像处理技术发展到今天，已经被应用到工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等多个学科，并成为这些学科获取信息的重要来源及利用信息的重要手段，所以图像处理科学己经成为与国计民生紧密相连的一门应用科学。

图像处理技术研究的重点在于图像处理算法和系统结构，随着计算机、集成电路等技术的飞跃发展，图像处理技术在这两方面都取得了长足的发展。

但随着图像信息数据量的增大，图像处理算法复杂度的提高，图像处理技术依然面临着许多挑战性的问题，具体可概括为图像处理的网络化、复杂问题的求解与处理速度的高速化，可以通过选择合适的图像处理平台以及恰当的图像处理算法来解决这些挑战性的问题。

图像处理技术最初是在采用高级语言编程在计算机上实现的，后来还在计算机中加入了图像处理器(GPU)，协同计算机的CPU工作，以提高计算机的图形化处理能力。

在大批量、小型化和低功耗的要求提出后，图像处理平台依次出现了基于VLSI技术的专用集成电路芯片((ASIC)和数字信号处理器((DSP)，近年来，随着EDA技术的发展以及FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)技术的提高，越来越多的厂家和科研机构将FPGA作为图像处理技术实现的主要平台，以提高图像处理系统的性能。

FPGA是在PAL, GAL, CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA( Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB
( Configurable LogicBlock、输出输入模块IOB ( Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

FPGA结构特点使得基于FPGA的图像处理系统的设计方法与传统的基于计算机或者专用单片机的系统的设计方法有着本质的区别，同时与基于ASIC的设计在有一定的相似度的基础上也存在很大的差异，所以不能以以往的设计方法来进行基于FPGA的图像处理系统设计，需要根据FPGA的结构以及图像处理技术的特点重新来考虑在FPGA中实现流水线、时分复用、超越函数和人工智能等技术的方法。

本课题就是以FPGA为开发设计载体，以EDA技术为开发设计平台，以图像处理技术在FPGA中的设计方法为研究对象，以提高图像处理的速度和FPGA系统资源的合理利用为目标，以期探讨基于FPGA的高速数字图像处理方法。

图像处理系统的产生和发展
1图像处理及其硬件平台的发展概况
数字图像处理的发展是和计算机、集成电路等技术的发展密切相关的，曾经作为数字图像处理平台的有:计算机、专业集成电路、DSP芯片和FPGA，下面将按时间的顺序予以介绍。

从1946年到1964年，计算机分别进入了“电子管计算机时代，，和“晶体管计算机时代”，这个时代的计算机才能称之为现代计算机，特别是进入“晶体管计算机时代”后，由于晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。

第二代
计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。

接着，高级语言FORTRAN语言和COBOL语言相继开发出来并被广泛使用。

这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。

第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。

所以，虽然数字图像处理起源于20世纪20年代，但真正意义上的发展开始于20世纪50年代。

随着集成电的发展，计算机进入中小规模集成电路计算机时
代及大规模集成电路计算机时代，这个时代中计算机通常作为非实时图像处理平台和图像管理工作站平台，后来为了提高计算机的图形化处理能力，在计算机中加入GPU协同CPU工作，但GPU仅仅是对CPU若干指令的加速，并不是实际意义上的并行化处理，其实时图像处理能力还是较弱。

为了解决实时图像处理，降低单件图像处理设备的成本，图像处理设备生产商开始使用集成电路生产图像处理专用芯片，利用集成电路技术生产的图像处理专用芯片，其优势在于:集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。

超大规模集成电路(VLSI)的今天，大批量的图像处理专用芯片ASIC(专用集成电路)与ASSP(专用标准产品)仍占据着很大的市场份额。

在小批量的图像处理系统中，使用专用芯片成本太高，研发周期太长，所以需要使用合适的微处理器予以取代，DSP的出现解决了这方面的问题。

DSP(Digital SignalProcessor,数字信号处理器)，是一种具有特殊结构的微处理器，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

从上世纪80年代末直至现在，DSP一直作为小批量的图像处理系统的处理器，用来实现如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等图像处理。

DSP芯片具有较高的指令处理速度，但处理图像数据的能力还是有限的，所以只适用于小批量、低数据处理量的图像处理系统中。

一直以来，大多的科研机构及公司将FPGA作为图像处理系统研发时的临时平台，在产品化之后，FPGA往往被ASIC或ASSP代替。

当然也有些图像系统设备的批量产品中装备有FPGA，但这些FPGA往往被用作“辅助芯片(companion chip)"。

具体来说就是将小规模FPGA和较大规模的ASIC或ASSP在一个系统中一
起使用，FPGA用来完成接口、时序驱动以及各种型号产品的不同功能，增加系统的灵活性，而主要的图像处理工作在ASIC或ASSP内完成。

随着半导体工艺的发展，ASIC与ASSP在性能提高的同时，其开发费用也在急剧的增加，同时其验证工作量也随着电路的规模变大而变大，当产品发生变化时，设备制造商需要重新向半导体厂商支付包括掩膜在内的开发费用。

采用FPGA进行设计时，设备制造商可以在开发现场自由地改写电路结构，无需支付因系统升级带来的费用，在完成电路的结构设计之后，FPGA厂商提供的EDA工具能够方便的帮助设备制造商完成布局、布线等工作，因此能够缩短设备的开发时间，即采用FPGA可以避免采用ASIC或ASSP时出现的费用及设计周期的问题。

图1.1给出了和FPGA近十年来的销量表，图中数据显示，FPGA威胁ASIC和ASSP地位的势头正在日益增强。

当多数的设备制造厂商采用FPGA作为图像处理系统的主处理芯片时，半导体厂商可以将FPGA作为通用产品进行生产，而FPGA的开发费用可以由这些厂商共同承担，从而有利于推动FPGA工艺的发展，当FPGA的电路规模和性能达到与ASIC 或ASSP相仿的水平时，FPGA将在很多领域取代ASIC或ASSP的大部分甚至全部功能，即FPGA作为主处理芯片而非辅助芯片。

目前，FPGA厂商正在迅速推进FPGA工艺的发展(见图X .2)，从而加速FPGA
取代ASIC或ASSP的过程。

以FPGA生产厂商Altera公司为例，该公司于2008年5月推出了型号为Stratix IV的FPGA，该型号的FPGA采取40rim工艺，其最高性能产品等效门数可达到600万一700万，不亚于采用90nm工艺制造的基于标准单元的ASIC。

另外StratixIV系列FPGA的工作频率可达3 50MHz，也与90rim基于标准单元的ASIC大体相当。

当然，FPGA想取代ASIC或ASSP还存在价格上的局限。

虽然高性能FPGA的电路规模和性能正在逼近采用90rim工艺的ASIC，但目前高性能FPGA芯片的单价是几千元，和基于标准单元的ASIC相比高出很多，因此FPGA在大批量的图像处理系统中应用还存在成本方面的问题。

另外，FPGA设计时考虑到其通用性，在内置DSP 模块以及高速IO接口等方面功能比较齐全，对于某个特定的图像处理设备而言，有些功能未被使用，出现了浪费的现象。

FPGA厂商正在为消除价格差距而努力，也即将推出符合价格需求的产品。

例如，Altera公司即将推出的40nm结构化ASIC HardCopy IV，在HardCopy IV中部分的布线和开关将被去除，从而将芯片面积降低到Stratix IV的一半左右，芯片单价将有可能降低到几十至几百元。

它在设计性能与引脚方面和Stratix IV兼容，对于那些在小批量生产时采用了Stratix IV的设备制造厂商来说，他们无需重新制作主板就可以改用HardCopy IV进行大批量生产。

当用户采用FPGA厂商推出的40nm结构化ASIC进行设计时，当设备的生产数量在几千一几万个的范围内，则其总成本将有可能低于基于标准单元的ASIC电路[2]
通过上面的讨论可以知道，图像处理平台的发展如图1.3所示，具体概括
为:PC作为通用平台在小批量的非实时图像处理系统中仍有应用，ASIC或ASSP在大批量的图像处理系统中仍占据着很大的市场份额，但有被FPGA取代的趋势，DSP
在高速图像处理领域已经逐渐被取代，FPGA随着工艺的发展已逐渐成为主流的图像处理平台。

2国内外研究现状
图像处理系统在军事、工业、楼宇以及其他领域的应用日益广泛，在全世界，无论是工业界、学术界还是政府相关部门都日益关注相关理论与应用问题的研究，尤其是对基于FPGA的图像处理算法的研究。

3图像处理算法的优化的研究
图像处理算法优化主要为了解决图像处理算法在FPGA中实现时资源消耗的问题，乘法、三角函数、指数和对数等运算在基于LUT的FPGA中实现需要消耗太多的资源，FPGA内部嵌入的硬件的乘法器模块数量有限，不能够满足图像处理系统的需求，所以通常寻求其他的简化方法予以优化。

常见的优化技术为CORDIC算法，另外分布式算法也在一些图像处理算法内涉及。

CORDIC算法是从简单而古老的二维几何学发展来的，最初提出CORDIC算法的是Jack E. Volder，他在1957年使用明确的公式表达了CORDIC算法，并将该算法应用到三角函数的计算中。

最早将CORDIC算法应用到图像处理领域己无从考证，但基于CORDIC算法图像处理算法的研究的本质还在CORDIC的优化上。

近年来CORDIC算法的优化采用了以下技术:高维CORDIC算法、重编码CORDIC算法、混合微旋转CORDIC算法、多余CORDIC算法和微分CORDIC算法[I 5-16]0文献[ 17]提出了四维的CORDIC算法，它的基由传统的2个变为5个，旋转基本角度也变成了4'，其优点在于迭代次数是传统技术的一半，但是4维的CORDIC技术每次迭代的时间却比2维的CORDIC技术技术迭代时间长，也需要耗费更加多的资源，同时他的比例因子由于基的变化也每次不同，所以比较繁琐。

为了解决比例因子的影响，文献[18」提出了通过重复的移位加法运算来补偿比例因子。

文献【19]给出了高维
CORDIC技术的简化模式，它是通过大量的查找表存储基本旋转角度和预算好的比例因子的方式来减少迭代的时间，该方法的弱点在于需要消耗大量的查找表资源。

重编码CORDIC算法是将传统的CORDIC算法的基本旋转角度重新编排，已达到另外还有少量的文献研究了微分CORDIC算法。

下面红色字体部分是赠送的散文欣赏摘自网络，不需要的朋友下载后可以编辑删除～～～谢谢～～～
可依靠的唯有自己
这是发生在一个普通犹太人家庭里，父亲和儿子的故事:
儿子叫约翰，在他4岁那年，有一天他和姐姐在客厅玩捉迷藏。

他们玩得正高兴，父亲抱起小约翰，把他放在沙发椅上面，然后伸出双手做出接的姿势，叫他往下跳。

小约翰毫不犹豫地往下跳，在即将抓住父亲的瞬间，父亲缩回了双手，约翰摔到了地板上，他号啕大哭起来。

小约翰向坐在沙发上的妈妈求助，妈妈若无其事地坐着，并不去扶他，只是微笑着说:“呵，好坏的爸爸～”父亲站在一边，以嘲弄的眼光望着上当受骗的小约翰。

这便是犹太家庭教子的方法之一，这样做的目的是灌输给孩子一个理念:社会是复杂的，不要轻信他人，唯一可依赖的就是自己。

犹太家庭的孩子都要回答这样一个问题:“假如有一天房子被烧着了，你将带着什么东西逃跑,”如果孩子回答是钱财，母亲会进一步问:“有一种没有形状、没有颜色、没有气味的宝贝，你知道是什么吗,”如果孩子回答不出来，母亲会告诉他:“孩子，你要带走的不是钱财，而是智慧。

因为智慧是任何人都抢不走的，你只要活着，智慧就永远跟着你。

”
你对爸爸的爱，远远胜过那部车
一个犹太家庭的父亲，存钱存了很久，终于买了一辆自己向往已久的新车。

新车开到家后，他珍爱有加，每天都要洗车打蜡。

他5岁的儿子见父亲这么爱车，也常常乐此不疲地帮爸爸一起洗车。

有一天，这位父亲开车回到家后，累得一动也不想动。

于是他决定破一次例，改天再洗车，尽管自己的爱车因淋了雨，而显得脏乱不堪。

这时，5岁的儿子见父亲这么累，就自告奋勇地要帮爸爸洗车，见他这么小的年纪，就知道体谅自己，心里甚感欣慰，便放手让儿子去洗。

儿子要动手洗车了，却找不到洗车用的毛巾。

于是他走进厨房，立刻便想到母亲平时煮菜洗锅时，都是用钢刷使劲刷才刷干净的，所以既然没有毛巾，就用钢刷吧～他拿起钢刷用力地洗起车来，一遍又一遍，像刷锅一样地刷车。

等他洗完之后，听见“哇”的一声，他失声大哭起来，车子怎么都花了,这下可闯大祸了，他急忙跑去找父亲，边哭边说:“爸爸，对不起，爸爸，你来看～”父亲疑惑地跟着儿子走到车旁，他也“哇”的一声，“我的车，我的车～”
这位父亲怒气冲冲地走进房间，气急败坏地跪在地上祷告:“上帝呀，请你告诉我，我该怎么做,那是我新买的车，一个月不到，就变成这样，我该怎么处罚我的孩子,”
他才祷告完，耳边忽然出现一个声音“世人都是看表面，而我却是看内心～”突然间，他彻悟了。

他走出房门，儿子正害怕地流着泪，动也不敢动。

父亲走上前去，把孩子紧紧地拥在怀里，亲切地说:“谢谢你帮爸爸洗车，爸爸对你的爱，远远胜过对那部车子。

”
凡事要透过表面去看本质，当家人或朋友无意间做错了某件事时，我们要理智对待，不要只看事情的表面，而忽略他们内心真实的想法。

学会用爱心去包容爱心，家会让你感觉自己的周围，时时洋溢温暖的阳光。

小饭馆的生意很好，因为
物美价廉，因为他的谦和和妻子的热情。

每天早晨，三四点钟他就早早起来去采购，直到天亮才把所需要的蔬菜、鲜肉拉回家。

没有雇人手，两个人忙得像陀螺。

常常，因为缺乏睡眠，他的眼睛红红的。

不久，一个推着三轮车的老人来到他门前。

她驼背，走路一跛一跛的，用手比划着，想为他提供蔬菜和鲜肉，绝对新鲜，价格还便宜。

老人是个哑巴，脸上满是灰尘，额角和眼边的几块疤痕让她看上去面目丑陋。

妻子不同意，老人的样子，看上去实在不舒服。

可他却不顾妻子的反对，答应下来。

不知怎的，眼前的老人让他突然想起了母亲。

老人很讲信用，每次应他要求运来的蔬菜果然都是新鲜的。

于是，每天早晨六点钟，满满一三轮车的菜准时送到他的饭馆门前。

他偶尔也请老人吃碗面，老人吃得很慢，很享受的样子。

他心里酸酸的，对老人说，她每天都可以在这儿吃碗面。

老人笑了，一跛一跛地走过来。

他看着她，不知怎的，又想起了母亲，突然有一种想哭的冲动。

一晃，两年又过去了，他的饭馆成了酒楼，他也有了一笔数目可观的积蓄，买了房子。

可为他送菜的，依旧是那个老人。

又过了半个月，突然有一天，他在门前等了很久，却一直等不到老人。

时间已经过了一个小时，老人还没有来。

他没有她的联系方式，无奈，只好让工人去买菜。

两小时后，工人拉回了菜，仔细看看，他心里有了疙瘩，这车菜远远比不上老人送的莱。

老人送来的菜全经过精心挑选，几乎没有干叶子，棵棵都清爽。

只是，从那天后，老人再未出现。

春节就要到了，他包着饺子，突然对妻子说想给老人送去一碗，顺便看看她发生了什么事。

怎么一个星期都没有送菜,这可是从没有过的事。

妻子点头。

煮了饺子，他拎着，反复打听一个跛脚的送菜老人，终于在离他酒楼两个街道的胡同里，打听到她了。

他敲了半天门，无人应答。

门虚掩着，他顺手推开。

昏暗狭小的屋子里，老人在床上躺着，骨瘦如柴。

老人看到他，诧异地睁大眼，想坐起来，却无能为力。

他把饺子放到床边，问老人是不是病了。

老人张张嘴，想说什么，却没说出来。

他坐下来，打量这间小屋子，突然，墙上的几张照片让他吃惊地张大嘴巴。

竟然是他和妈妈的合影～他5岁时，10岁时，17岁时……墙角，一只用旧布包着的包袱，包袱皮上，绣着一朵梅花。

他转过头，呆呆地看着老人，问她是谁。

老人怔怔地，突然脱口而出:儿啊。

他彻底惊呆了～眼前的老人，不是哑巴,为他送了两年菜的老人，是他的母亲, 那沙哑的声音分明如此熟悉，不是他母亲又能是谁,他呆愣愣地，突然上前，
一把抱住母亲，号啕痛哭，母子俩的眼泪沾到了一起。

不知哭了多久，他先抬起头，哽咽着说看到了母亲的坟，以为她去世了，所以才离开家。

母亲擦擦眼泪，说是她让邻居这么做的。

她做工的爆竹厂发生爆炸，她侥幸活下来，却毁了容，瘸了腿。

看看自己的模样，想想儿子进过监狱，家里又穷，以后他一定连媳妇都娶不上。

为了不拖累他，她想出了这个主意，说自己去世，让他远走他乡，在异地生根，娶妻生子。

得知他离开了家乡，她回到村子。

辗转打听，才知道他来到了这个城市。

她以捡破烂为生，寻找他四年，终于在这家小饭馆里找到他。

她欣喜若狂，看着儿子忙碌，她又感到心痛。

为了每天见到儿子，帮他减轻负担，她开始替他买菜，一买就是两年。

可现在，她的腿脚不利索，下不了床了，所以，再不能为他送菜。

这种信任和理解真的很重要。

这个故事对于众多家长来说有很强的的启迪和警示作用:“你到底爱的是孩
子，还是孩子努力的结果,如果是后者，那说明你不会爱～”亦或是“你到底是爱自己的孩子，还是爱那个你心目中的孩子,如果是后者，那说明你不会爱～”，往往，在和孩子互动过程中，我们关注自己的感受，关注孩子是否改错，关注孩子是
否优秀，而我们忽略了关注孩子本身，这些都是打着爱的旗号伤害着孩子，但我们往往认为这就是爱。

请牢记，孩子本身最重要～
让孩子去开辟自己的天空
《一个犹太人的家庭教育》讲的是一个伟大的犹太母亲把三个孩子培养成才的理念和方法。

这位母亲生在上海，父亲是犹太人，在她12岁那年去世了，随后母亲也离她而去，她成了孤儿。

长大后在上海铜厂做女工，结婚后生下三个孩子，但不久后丈夫又离她而去了。

为了逃避痛苦，她成为中以建交后第一批回到以色列的犹太后裔。

为了生存，也为了三个孩子能早日回到以色列，她先发奋学习希伯来语，然后，在路边摆了个小摊卖春卷。

以色列的官方货币是谢克尔，一谢克尔兑换人民币2块钱，更小的币值是雅戈洛，一谢克尔等于100雅戈洛。

她的春卷小摊每天只能赚到十来个谢克尔……
1993年，她接回了三个孩子，大儿子14岁，二儿子13岁，小女儿11岁。

开始她一直秉承再苦不能苦孩子的原则，依旧做着合格的中国式妈妈。

把孩子送去学校读书，她卖春卷，孩子放学，她就停止营业，在小炉子上面给他们做馄饨或者面条。

这一幕被邻居看到了，就来训斥大儿子:“你已经是大孩子了，你应该学会去帮助你的母亲，而不是看着你母亲忙碌，自己就像废物一样。

”然后转过头训斥母亲:“不要把那种落后的中国式教育带到以色列来……”
大儿子和她都很难受，但他们都在慢慢地改变，大儿子不但学会了做春卷，还把春卷带到学校卖，每天，三个小孩子能赚到10个谢克尔，回家交给母亲。

母亲觉得很心酸，让他们小小年纪就担起生活的担子，但犹太人不这么认为，在犹太家庭里，孩子们没有免费的食物和照顾，任何东西都是有价格的，每个孩子都必须学会赚钱，才能获得自己需要的一切。

于是妈妈不再提供免费的餐食和服务，同时也给他们赚钱的机会，以每个春卷30雅戈洛的价钱批发给他们，带到学校后，可自行加价出售，利润部分自由支配。

三个孩子卖春卷的方式竟然截然不同。

小女儿最老实，按老价钱50雅戈洛一个零售;二儿子则以40雅戈洛的价钱批发给学校餐厅，每天让他送100个春卷;大儿子则举办了一个“带你走进中国”的讲座，讲座的噱头就在于可以免费品尝美味的中国春卷，但需要买入场券，每人10雅戈洛，结果收入1500雅戈洛。

随后他们琢磨出了更多更新颖的赚钱方法，他们很努力地去学习和思考，学业并没有受到任何影响。

同样作为父母，是不是应该引起我们的反思,我们每天一睁开眼睛就为了孩子忙活，做饭、洗衣服、接送、辅导作业，然后才是做自己的事情，每天忙的团团转，累得筋疲力尽。

一发牢骚，孩子还会心生厌烦，根本不理解我的付出。

再回头看看，每一位中国母亲不都是这样吗,这样我们就很伟大吗,我们付出了很多，却造就了一个又一个“小皇帝”、“小公主”……
我们希望孩子成才，却又过度的保护他们，使得孩子变得无能无法自立;过分的溺爱，带来孩子的无情;过多的干涉，让孩子多了很多无奈;过多的指责，让孩子变得不知所措，找不到前进的方向……
想要为孩子创造一个无忧无虑，快乐成长的天空，但却发现自己完完全全的占据了创造者的位置，其实，这个位置也要有一部分让孩子承担。

现在的照顾，也许会暂时保护着他们，但是他们总有一天会长大，会在长大后遇到许许多多的困难，那个时候，我们是如何也帮不了他们的……也许，让孩子过早的面对金钱面对名利面对社会，会有不舍和心疼，但他们总有一天要面对，总有一天要承担。

我们为何不像那位犹太母亲那样，放开手，让孩子自己去开辟属于他们自己的天空呢,。