[发明专利]一种基于CORDIC算法的图像旋转VLSI结构

说明书

所属技术领域

本发明属于超大规模集成电路(VLSI)结构设计领域，具体涉及到一种基于CORDIC算法的图像旋转VLSI结构。

背景技术

数字图像旋转是数字图像处理中很重要的一个步骤，它被广泛应用于医疗图像识别，机器人技术，条码识别等领域。在图像旋转中，速度和精度是评估图像旋转单元质量的两个最为关键的因素。

现在应用最广泛的图像旋转方法都是基于软件实现的。由于软件是顺序执行代码，速度较慢，很难适应高精度图像处理和实时图像处理的要求。于是通过硬件结构实现图像旋转成为一种需求。硬件并行处理多个单元，可有效提高图像处理速度。

现在主要有三种硬件实现图像旋转的方法。第一种传统的图像旋转方法使用乘法器和包含三角函数的查找表(LUTs)来实现。由于使用了较多乘法器，采用这种方法实现的图像旋转系统结构复杂，精度低，速度慢，很难适应现代图像处理的应用。第二种方法分解旋转矩阵，通过一系列的数学变换来实现图像旋转。第三种方法采用CORDIC(the coordinate rotational digital computer，坐标旋转计算机)算法来实现图像旋转。CORDIC算法是用来计算一些常用的基本运算函数和算术操作的循环迭代算法，其基本思想是用一系列特殊的角度旋转逼近向量需要旋转的角度。

最早将CORDIC算法应用到图像旋转硬件实现中的是Ghosh和Majumdar。他们设计了一款ASIC芯片，将一帧图像分解成若干个窗口，然后通过并行和流水线结构并行地旋转每个窗口来实现图像旋转。Suchitra在他的论文中也提出了一种新颖的基于窗口的旋转算法，这种算法具有较高的吞吐率。基于窗口的图像旋转算法无可避免地会在旋转过后的图像中引入部分失真，这对于越来越注重用户体验的电子产品来说是不可容忍的。李杰明和郑学仁提出了一种基于CORDIC算法的数字图像旋转的硬件实现结构，但他们仍然没有解决CORDIC算法的最后需要使用乘法器来进行模校正的问题。

发明内容

本发明提出了一种新颖的基于CORDIC算法的图像旋转VLSI结构，该结构在硬件实现时可以减少芯片的面积，提供芯片的工作速度，充分发挥硬件的并行和流水线的速度优势。

本发明提供的基于CORDIC算法的图像旋转VLSI结构，其特征在于：它包括分频单元，CORDIC单元，地址产生单元，数据准备单元，双线性插值单元以及数据存储单元。

分频单元将主时钟进行6分频。

CORDIC单元用于将输入的坐标按照输入的角度计算出旋转过后的新坐标。

地址产生单元用于产生新像素点的地址以及需要新图像像素点的坐标。

数据准备单元接收CORDIC单元输出的新坐标的整数部分，并根据新坐标的整数部分求出其相邻的四个像素点的像素值，输出给双线性插值单元。

双线性插值单元接收数据准备单元输出的四个像素点的值以及CORDIC单元输出的新坐标的小数部分，由此来计算出新坐标点的像素值。

数据存储单元分为两部分。第一部分存储由摄像头采集到的原始数据，第二部分存储处理过后的像素点的像素值。

本发明一般配合采集用的摄像头以及可以显示图像的LCD一起使用。摄像头采集到数据过后，系统将数据存储在数据存储单元中。然后通过一个使用信号告诉图像旋转电路开始工作。地址产生单元接收到使能信号过后，通过计数器，开始依次产生新图像的坐标以及新图像的像素在数据存储单元中的存储地址。新图像的坐标和旋转角度送到CORDIC单元中，CORDIC单元使用8级流水线对坐标进行旋转。每一级将坐标顺时针或者逆时针方向旋转arctan2^-(i-1)度(i指第i级流水线)。使用8级流水线对坐标旋转过后，旋转精度可以达到0.4476度，可以满足实际的要求。坐标旋转过后，由于基本的旋转改变了矢量的模长，所以需要乘上一个模校正系数来修正模长，k(n)是一个收敛的函数。当n趋于无穷大时，k(n)趋近于一个固定值(0.60725)。直接在流水线结构之后附加乘法器的直接实现方法使原本由移位器和加法器组成的整体结构变得不规则，同时乘法器占用很大资源且会降低整个流水线的吞吐率。本发明中通过将k(n)进行因式分解，将其转变为移位和加减法运算，最终使用5级流水线替代了模校正乘法，进一步降低了硬件复杂度，使整体结构规则统一，有利于硬件实现。