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低延时的浮点正弦余弦函数硬件实现算法

西安交通大学学报 2021年第11期55卷 106-114页

作者：梁峰刘春锐李孝聪邱广波张继陈振娇李薇敏曹琪雷绍充西安交通大学微电子学院西安710049 中国电子科技集团公司第五十八研究所江苏无锡214035

针对正弦余弦函数硬件实现中坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法难以满足低延时、高精度的不足之处,提出了一种单精度浮点数的正弦余弦函数硬件实现算法。该算法基于正弦余弦函数的数学性质把浮点数输入指数的范围分为[-126,-16]、[-15,21]... 详细信息

针对正弦余弦函数硬件实现中坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法难以满足低延时、高精度的不足之处,提出了一种单精度浮点数的正弦余弦函数硬件实现算法。该算法基于正弦余弦函数的数学性质把浮点数输入指数的范围分为[-126,-16]、[-15,21]和[22,126]3个不同区域,并分别采用泰勒0阶近似法、泰勒1阶近似法和直接计算3种计算方法;对其中的泰勒1阶近似法进行了定点化、诱导函数化简、预计算输出指数等多种优化来减少算法的计算量,增加并行度。给出了优化后的泰勒1阶近似法的4级流水线硬件实现。通过遍历测试,该算法的计算精度与C语言math库单精度正弦余弦函数的计算精度最多仅相差1个误差单位(ulp)。在UMC55nm的工艺下电路可达250 MHz的时钟频率,完成一次运算仅需4个时钟周期,具有低延时的特点。

关键词：正弦余弦函数泰勒1阶近似坐标旋转数字计算硬件实现

基于线段投影的ADMM-LP译码算法硬件实现

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科学技术与工程 2023年第6期23卷 2469-2476页

作者：张俊伟郑昱津刘惠阳夏巧桥华中师范大学物理科学与技术学院武汉430079 武汉大学计算机学院武汉430072

奇偶校验多胞体投影是交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)译码算法中最为复杂的部分,复杂的投影计算使得ADMM译码算法复杂度较高且无高效的硬件实现方案。使用线段投影算法(line segment projection al... 详细信息

奇偶校验多胞体投影是交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)译码算法中最为复杂的部分,复杂的投影计算使得ADMM译码算法复杂度较高且无高效的硬件实现方案。使用线段投影算法(line segment projection algorithm, LSA)计算校验多胞体投影可以省去复杂的排序和迭代操作,仅需进行简单的加减与比较运算,十分适合硬件实现。首先针对硬件实现对线段投影算法进行简化,并设计了完整的ADMM译码硬件实现方案,在FPGA (field programmable logic gate array)中搭建了完整译码平台进行实验。实验表明:相较于已有的译码器,本文实现的ADMM-LSA译码器误码率性能基本一致,译码速度提高了30.6%,且在硬件资源消耗上有大幅减少,其中LUT (look up table)资源使用量减少了40.3%,(flip flop, FF)资源减少67.6%,(digital signal processing, DSP)资源减少54.5%。

关键词：译码算法交替方向乘子法线段投影算法硬件实现

高速Ed25519验签算法硬件架构的设计与实现

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通信学报 2022年第3期43卷 101-112页

作者：薛一鸣刘树荣郭书恒李岩胡彩娥中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 中国农业大学理学院北京100083 国网北京市电力公司北京100031

针对区块链等特定场景对验签速度有较高要求的特点,设计了一种高速Ed25519验签算法的硬件架构。提出了基于交错NAF的多点乘算法,通过预计算和查表的方式,有效减少了点加、倍点的次数;采用Karatsuba乘法和快速约简方法实现模乘运算,并设... 详细信息

针对区块链等特定场景对验签速度有较高要求的特点,设计了一种高速Ed25519验签算法的硬件架构。提出了基于交错NAF的多点乘算法,通过预计算和查表的方式,有效减少了点加、倍点的次数;采用Karatsuba乘法和快速约简方法实现模乘运算,并设计了不需要模加、模减的点加、倍点操作步骤,有效提升了点加、倍点运算的性能。针对解压过程中耗时的模幂运算,设计了模逆和模乘并行的模幂计算方法,提高了解压运算的性能。整个设计充分考虑了资源的复用,在Zynq-7020平台上实现需要13695个Slices,在81.61 MHz的时钟频率下,每秒能够完成8347次验签运算。

关键词：爱德华曲线数字签名多点乘硬件实现

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基于图像识别条形码模块硬件实现

广西大学学报（自然科学版） 2022年第4期47卷 1044-1052页

作者：魏陈鸿王仁平陈荣林福州大学物理与信息工程学院福建福州350108

针对条形码激光识别装置价格昂贵问题,设计一种基于图像识别的条形码模块。外部采用OV7670的图像采集,能快速定位、识别出图像中的EAN-13商品码。硬件实现对常见图像识别定位算法进行优化,使用数据组合和逆序读写提高工作速度,设置多档... 详细信息

针对条形码激光识别装置价格昂贵问题,设计一种基于图像识别的条形码模块。外部采用OV7670的图像采集,能快速定位、识别出图像中的EAN-13商品码。硬件实现对常见图像识别定位算法进行优化,使用数据组合和逆序读写提高工作速度,设置多档阈值和使用反向映射提高译码精度,第二次扫描使用逆向读取对定位算法优化,优化连通域定位算法减少寄存器数量,顺序执行共用寄存器和存储器单元,算法优化后在UMC 55n1P6M工艺库下标准单元面积仅为优化前的1/3。在FPGA验证过程中,工作频率为40 MHz,采集并识别640×480图像的处理帧率为11.4 fps,图像识别率为98.7%。

关键词：条形码图像处理商品码图像定位硬件实现

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基于NLM图像去噪算法的硬件设计与实现

基于NLM图像去噪算法的硬件设计与实现

作者：葛文强西安电子科技大学

学位级别：硕士

在现代生活中,数字图像和视频是人们获取信息最方便、最有效的途径,其质量直接影响到信息的准确性。智能手机、监控、车牌识别、人脸识别等日常生活中的产品都离不开数字图像处理技术,由于图像在采集时易受环境因素和采集设备的影响,导... 详细信息

在现代生活中,数字图像和视频是人们获取信息最方便、最有效的途径,其质量直接影响到信息的准确性。智能手机、监控、车牌识别、人脸识别等日常生活中的产品都离不开数字图像处理技术,由于图像在采集时易受环境因素和采集设备的影响,导致采集到的图像本身包含噪声,这直接影响图像的质量。因此,数字图像去噪在数字图像处理中担任着非常重要的角色。数字图像处理主要有两大类:软件处理和硬件处理,软件处理通常属于事后处理,存在无法在使用场景中实时性处理的问题,硬件处理就是软件图像处理算法的硬件化,利用硬件具有并行化、流水线、速度快等特点,加速软件算法,以达到实时处理的要求。常见的数字芯片系统有两种:专用集成电路ASIC和现场可编辑门阵列FPGA。本文从工程实践角度出发,基于定点化NLM(Non-Local Means)算法,采用ASIC设计流程,旨在设计一款满足时钟频率为666 MHz,图像最大尺寸为4K/60 FPS,制造工艺为TSMC 12 nm的指标的NLM硬件模块。本文通过对数字图像去噪技术的基础知识的研究,分析了经典的NLM算法的处理流程,指出了经典NLM算法因其计算量和硬件消耗资源过于庞大的问题无法直接用来硬件实现,重点研究定点化的NLM算法。该算法通过调整搜索窗口和自适应相似块数目来降低计算量;通过查找表的方式将指数运算定点化,用线性关系去逼近指数关系,并对去噪效果进行多方面评价。根据设计需求以及定点化NLM算法的数据路径和控制逻辑设计了NLM硬件模块的整体结构,划分了功能块,通过Verilog HDL语言对模块进行流水线设计,利用UVM验证环境对所有模块进行充分地验证,分析并解决了代码覆盖率问题,确保NLM模块结果的正确性,并通过DC综合工具在相关的约束下进行综合和功耗仿真。面积报告显示NLM模块的面积为154449μm。功耗报告显示NLM模块的整体功耗为9.171405 m W,其中动态功耗为8.778990 m W,静态功耗为0.392415 m W。在2K/30 FPS,时钟频率为90 MHz的FPGA的环境下进行实验测试,结果表明,在不同场景下,NLM模块都能正常工作,且平坦区域和细节区域都有着不错的去噪效果,本文硬件设计能够满足设计指标。

关键词：数字图像去噪实时处理 NLM算法硬件实现 FPGA原型验证

基于网络架构的箭载图像采集系统设计及硬件实现

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宇航计测技术 2023年第2期43卷 92-96页

作者：王旭赵子伦荣刚常曦张璁中国运载火箭技术研究院北京100076 北京航天计量测试技术研究所北京100076

图像采集系统负责监控和记录运载器上多个重要点位的视频信息。文中介绍了一种基于网络架构的箭载通用图像采集系统,负责采集高清图像并无损存储在图像压缩器内,将高清图像压缩后经遥测传输至地面,由于带宽有限,可实时切换下传的图像信... 详细信息

图像采集系统负责监控和记录运载器上多个重要点位的视频信息。文中介绍了一种基于网络架构的箭载通用图像采集系统,负责采集高清图像并无损存储在图像压缩器内,将高清图像压缩后经遥测传输至地面,由于带宽有限,可实时切换下传的图像信息,同时支持通过网络实时访问箭上图像信息和事后图像数据回读功能,为评估箭上的工作状态或分析故障提供了保障。

关键词：网络架构图像采集系统设计硬件实现

基于硬件实现的高效率视频编码整像素运动估计算法优化

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福州大学学报（自然科学版） 2022年第5期50卷 595-601页

作者：聂宇鑫施隆照黄霖福州大学物理与信息工程学院福建福州350108

为减少运动估计模块周期数,提高硬件工作效率,从硬件实现的角度对小菱形搜索算法进行优化,调整PU和CU的迭代与处理顺序,解决处理过程中流水线停滞的问题.对小块PU采取并行计算,进一步提高处理速度.用Matlab实现搜索算法,使用Verilog语... 详细信息

为减少运动估计模块周期数,提高硬件工作效率,从硬件实现的角度对小菱形搜索算法进行优化,调整PU和CU的迭代与处理顺序,解决处理过程中流水线停滞的问题.对小块PU采取并行计算,进一步提高处理速度.用Matlab实现搜索算法,使用Verilog语言描述硬件电路,两个版本在数据上使用相同的激励文件,对比各模块中间值进行功能验证.通过对多组序列的测试,硬件电路对一个64 px×64 px的CTU进行先进的运动矢量预测技术和整像素处理,估计需要平均消耗5800个时钟周期,在QuartusII平台上选中Arria 10AX115N3F40E2SG型号的开发板,主频能够达到186 MHz,整像素运动估计模块综合性能能够达到1080p@61 f·s^(-1).

关键词：高效率视频编码整像素运动估计视频编码标准硬件实现小菱形搜索算法

基于深度学习的车辆行驶前方目标检测算法研究及硬件实现

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基于深度学习的车辆行驶前方目标检测算法研究及硬件实现

作者：于强西安理工大学

学位级别：硕士

随着机动车人均持有量的增加,人们对于机动车的使用也越发的频繁,但随之而来也导致许多交通事故的发生。自动驾驶和智能辅助驾驶技术的出现可以有效的降低和避免交通事故的发生,所以发展智能交通系统成为了各国以及诸多科技公司的重中... 详细信息

随着机动车人均持有量的增加,人们对于机动车的使用也越发的频繁,但随之而来也导致许多交通事故的发生。自动驾驶和智能辅助驾驶技术的出现可以有效的降低和避免交通事故的发生,所以发展智能交通系统成为了各国以及诸多科技公司的重中之重。在智能交通系统中,自动驾驶和智能辅助驾驶作为其重要的一环,其驾驶过程中的目标检测问题成为了当下需解决的难点。其所涉及的目标检测问题是需找出驾驶过程中前方出现物体的类别与位置。本文以YOLOV4-Tiny目标检测算法为基础,对其进行优化改进,并且分析了其检测性能。首先叙述了本课题的研究背景与意义,对国内外目标检测的算法研究现状进行分析,继而介绍了传统和基于深度学习的目标检测算法。通过分析并对比几种经典深度学习算法之后,本文以YOLOV4-Tiny网络模型为基础,完成对车辆驾驶前方目标检测。由于YOLOV4-Tiny网络模型在进行目标检测时,其实时性较高但检测精度不足的问题,本文对YOLOV4-Tiny网络进行了优化改进。首先,针对检测精度不足问题,本文在算法结构中引入了 SPP（SpatialPyramid Pooling）结构,增加网络感受野,分离上下文显著特征,提升了改进后算法的检测精度;其次为了满足改进之后算法的检测实时性要求,采用深度可分离卷积,用其代替特征预测模块中的普通3×3卷积,减少了整个模型的参数量,达到了算法实时性的要求。实验结果表明,改进之后的YOLOV4-Tiny网络模型大小为17.17M,并且取得了96.11%的平均检测准确率,检测速度达到了每秒42帧。在硬件实现方面,首先对网络训练生成的权重参数等数据进行量化,将其与待识别的图像数据一起存入参数存储模块中（SD卡）,之后通过ARM端的控制将SD卡中的数据全部导入DDR中,当需要进行卷积技算时,DDR将计算所需的数据导入BRAM,继而将数据传入到卷积计算模块中进行运算,通过ARM端控制每一层卷积的计算。本文在Vivado HLS中完成卷积核IP的设计与验证。最后,在Vivado和Vitis中完成了改进后的YOLOV4-Tiny网络的实现,并在Xilinx Zynq开发平台上进行了板级验证。

关键词：自动驾驶 SPP 深度可分离硬件实现

基于块匹配与三维滤波的实时图像降噪算法研究与硬件电路实现

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基于块匹配与三维滤波的实时图像降噪算法研究与硬件电路实现

作者：赵昊华中科技大学

学位级别：硕士

图像作为一种重要的信息传递方式广泛应用于嵌入式视觉领域中,包括人脸识别门禁、智能监控、自动引导机器人等嵌入式设备。但环境中获取到的图像会存在噪声,降低图像质量。因此,降噪在图像处理系统中是必不可少的步骤。目前,受到资源和... 详细信息

图像作为一种重要的信息传递方式广泛应用于嵌入式视觉领域中,包括人脸识别门禁、智能监控、自动引导机器人等嵌入式设备。但环境中获取到的图像会存在噪声,降低图像质量。因此,降噪在图像处理系统中是必不可少的步骤。目前,受到资源和成本限制,嵌入式图像处理领域中应用较广的降噪方式仍是一些较简单的算法,降噪效果较差。而降噪效果优异的块匹配及三维滤波(Block Matching and 3D filtering,BM3D)算法则具有很高的计算复杂度,这对嵌入式设备的高分辨率图像实时处理提出了更大的挑战。针对上述问题,本文基于BM3D算法进行改进和优化,设计了一种对嵌入式摄像头输出的高分辨率灰度图像进行实时降噪的硬件电路。首先,本文研究了BM3D算法的基本原理,对算法中涉及的参数进行仿真对比得到最优参数。之后,本文面向硬件设计对算法进行优化,提出一种低复杂度的改进快速BM3D降噪算法。针对原始算法在高噪声条件下降噪效果差的问题,改进算法使用了软阈值来替代硬阈值处理,进一步增强了降噪效果。接着,在改进算法基础上,本文设计了一种并行流水线架构的实时降噪电路。通过合理地并行设计,本文在计算复杂度最高的图像块匹配步骤中使用了一种二维脉动阵列结构,增加了电路运算吞吐率。电路仿真结果表明,本文提出的改进算法在=25时平均PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio,峰值信噪比)提升9.64 d B。在Zynq-7000系列xc7z100 FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)中进行电路实现时,电路的最大工作频率为160MHz,处理延时为0.248 ms,处理一帧大小为1920×1080的有效图像数据需要14.21ms,处理帧率可以达到60 fps。最后,本文在HHGRACE 110 nm CMOS工艺下对电路进行ASIC(Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路)实现。结果表明,电路对1920×1080分辨率图像的处理帧率能达到57 fps。与其他的硬件实现方案在降噪和处理性能方面相比,本文硬件电路具有较好的降噪效果,能够支持较高分辨率和帧率的图像输入,具有良好的实时性,同时也能够满足嵌入式应用中的低成本的要求。

关键词：图像降噪硬件实现块匹配三维滤波实时性