基于CNN的红外图像预处理系统的研究与设计

文章摘要：图5 RAW2RGB模块的硬件结构框图这里为了便于检验算法的正确性，适当的对数字视频流进行了一些简化。由于编程时采用参数化设计，所以这并不会对系统的设计产生影响。这里假定待处理的原始数据每行只有12个像素，以两行数据为例，经过处理后的数据（每个像素包含R、G、B三种颜色分量），每行只包含6个像素，减少了一半，同样行数也变为原来的1/2。这样，当等待处理的图像分辨率为1280x1024时，经过该模块后的图像分辨率变为640x512。图7为经过颜色插值后的实际输出，与图6经过颜色插值后的预期输出相比较可以看出，该颜色插值模块的设计完全达到了预期的要求。图6 经过颜色插值后的预期输出图7 经过颜色插

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图5 RAW2RGB模块的硬件结构框图

这里为了便于检验算法的正确性，适当的对数字视频流进行了一些简化。由于编程时采用参数化设计，所以这并不会对系统的设计产生影响。这里假定待处理的原始数据每行只有12个像素，以两行数据为例，经过处理后的数据（每个像素包含R、G、B三种颜色分量），每行只包含6个像素，减少了一半，同样行数也变为原来的1/2。这样，当等待处理的图像分辨率为1280x1024时，经过该模块后的图像分辨率变为640x512。图7为经过颜色插值后的实际输出，与图6经过颜色插值后的预期输出相比较可以看出，该颜色插值模块的设计完全达到了预期的要求。

图6 经过颜色插值后的预期输出

图7 经过颜色插值后的实际输出

3.2 颜色空间转换模块的硬件设计

YCbCr坐标与RGB坐标之间的关系如下：

 
                                             (1)
有三种方案实现此模块设计，第一种方案采用Verilog语言对该转换公式进行行为描述；第二种方案采用FPGA芯片内的嵌入式RAM构造乘法器查找表，将转换公式内所有可能的中间结果存放在存储器中。该系统需要9个乘法器查找表，每个乘法器查找表的深度是1k，将操作数R、G、B作为地址访问存储器，得到的输出数据就是乘法运算的结果。查找表乘法器的速度只局限于所使用存储器的存取速度。第三种方案是对第一种方案进行改进，采用流水线结构实现此系统设计，大大提高了运算速度。本文采用第三种方案。流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。充分利用了硬件内部并行性，增加数据处理能力。这种流水线作业是在几个步骤中执行运算的功能单元的序列。每个功能单元接受输入，生成的输出则是缓冲器存储的输出。实现流水线结构的方法很简单，只要在每个运算部件（包括乘法器和加减法器）的输出以及系统的输入输出之间加上寄存器缓存即可。利用流水线技术的颜色空间转换实现框图如图8所示。一个数字系统的最高时钟频率受限于寄存器与寄存器之间的最大门延迟，如果不在每个运算部件的输出后面加上寄存器缓存，则寄存器与寄存器之间的最大门延迟为输入RGB信号到输出YCbCr信号之间的延迟。由于输入RGB信号到输出YCbCr信号之间存在大规模的组合逻辑电路，因此延迟很大。采用流水线结构之后，寄存器与寄存器之间的组合逻辑电路规模变小了，因此延迟变小，从而可以提高系统时钟。 

图8  利用流水线技术的颜色空间转换实现框图

波形仿真如图9所示。由波形图可以看到，相比于输入，输出结果延迟5个时钟周期出现，这是使用流水线结构造成的结果。例如输入（R，G，B）=（1023，1023，1023），在5个时钟周期后输出（Y，Cb， Cr）=（944，514，514）。虽然输出延迟了5个时钟周期，但每计算一个像素颜色转换仍只需要1个时钟周期。

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