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面向无透镜成像衍射恢复算法的可配置计算单元设计

面向无透镜成像衍射恢复算法的可配置计算单元设计

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作者：付涛西安理工大学

学位级别：硕士

无透镜成像系统采集的衍射图像需要通过衍射恢复进行图像重建。衍射恢复算法具有数据量大、计算复杂度高、迭代次数多的特点,采用传统的离线或基于软件的嵌入式计算平台进行计算,存在便携性差、计算耗时长的问题,并且导致了无透镜成像... 详细信息

无透镜成像系统采集的衍射图像需要通过衍射恢复进行图像重建。衍射恢复算法具有数据量大、计算复杂度高、迭代次数多的特点,采用传统的离线或基于软件的嵌入式计算平台进行计算,存在便携性差、计算耗时长的问题,并且导致了无透镜成像难以小型化,集成度低,阻碍了无透镜成像在即时检测的发展和推广普及。通过对衍射恢复算法的分析发现快速傅里叶计算耗费了大量的计算时间,因此,设计一款具有高效的FFT架构的能够实时计算且集成度高的衍射恢复算法的计算系统具有重要意义。主要研究内容如下:1、通过分析无透镜成像角谱衍射恢复算法,在理解算法的输入输出、数据流、计算复杂度以及可能的优化方法的基础上提取出算法中需要硬件化的函数进行分析。针对高并行度或者低资源的不同系统应用场景,设计了三种点数或级数可配置的分裂基快速傅里叶变化架构,以及计算模式可配置的约束计算模块。2、通过Matlab建立对应的硬件模型,通过与软件算法的对比,验证了模型的功能正确,通过多组不同大小的衍射图像数据对Matlab模型进行量化,验证了不同浮点以及指数分离的量化方案,对不同的快速傅里叶架构给出了不同的量化方案,针对最终实现的并行流水结构快速傅里叶变换给出了16bit非标浮点量化方案,512×512点的衍射图像15次迭代的计算结果对比软件算法结果其峰值信噪比为35.10,对比Matlab软件算法双精度结果,衍射恢复图像无明显差别,完全满足可配置计算单元的应用需求。3、根据模型进行硬件描述语言的RTL(Register Transfer Level)设计,将计算单元的设计转化为硬件电路,搭建了板级验证平台,通过PL与PS端的协同,对衍射恢复算法可配置计算单元进行硬件调试和板级验证,从验证结果得出,本文所设计的可配置计算单元可以在4.62ms内计算完成512×512的衍射图像。综上所述,本文针对衍射恢复算法进行了分析研究,设计了三种FFT架构,并以合并计算的并行流水结构快速傅里叶变换架构为基础实现了基于ASIC设计的面向无透镜成像衍射恢复算法的可配置计算单元,通过仿真验证了该思路的可行性。

关键词：无透镜成像系统衍射恢复算法快速傅里叶变换硬件实现

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