Design for Embedded Image Processing on FPGAs

Design for Embedded Image Processing on FPGAs pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Wiley-IEEE Press
作者:Donald G. Bailey
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:2011-8-16
价格:USD 155.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780470828496
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机科学
  • FPGA
  • Processing
  • Image
  • Embedded
  • DSP
  • DIP
  • 2011
  • FPGA
  • 嵌入式图像处理
  • 图像处理
  • 硬件加速
  • 数字信号处理
  • VHDL
  • Verilog
  • 嵌入式系统
  • 计算机视觉
  • 实时系统
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具体描述

Dr Donald Bailey starts with introductory material considering the problem of embedded image processing, and how some of the issues may be solved using parallel hardware solutions. Field programmable gate arrays (FPGAs) are introduced as a technology that provides flexible, fine-grained hardware that can readily exploit parallelism within many image processing algorithms. A brief review of FPGA programming languages provides the link between a software mindset normally associated with image processing algorithms, and the hardware mindset required for efficient utilization of a parallel hardware design. The design process for implementing an image processing algorithm on an FPGA is compared with that for a conventional software implementation, with the key differences highlighted. Particular attention is given to the techniques for mapping an algorithm onto an FPGA implementation, considering timing, memory bandwidth and resource constraints, and efficient hardware computational techniques. Extensive coverage is given of a range of low and intermediate level image processing operations, discussing efficient implementations and how these may vary according to the application. The techniques are illustrated with several example applications or case studies from projects or applications he has been involved with. Issues such as interfacing between the FPGA and peripheral devices are covered briefly, as is designing the system in such a way that it can be more readily debugged and tuned. Provides a bridge between algorithms and hardware Demonstrates how to avoid many of the potential pitfalls Offers practical recommendations and solutions Illustrates several real-world applications and case studies Allows those with software backgrounds to understand efficient hardware implementation Design for Embedded Image Processing on FPGAs is ideal for researchers and engineers in the vision or image processing industry, who are looking at smart sensors, machine vision, and robotic vision, as well as FPGA developers and application engineers. The book can also be used by graduate students studying imaging systems, computer engineering, digital design, circuit design, or computer science. It can also be used as supplementary text for courses in advanced digital design, algorithm and hardware implementation, and digital signal processing and applications. Companion website for the book: www.wiley.com/go/bailey/fpga

现代控制系统中的自适应滤波技术 内容提要: 本书深入探讨了在复杂和动态变化的现代控制系统中,如何有效地应用和设计自适应滤波技术。不同于传统的固定系数滤波器,自适应滤波器能够根据环境变化和系统自身状态的实时反馈,自动调整其滤波参数,从而在信号质量和系统稳定性之间取得更优的平衡。本书旨在为控制工程、信号处理和系统建模领域的工程师、研究人员及高级学生提供一套全面且实用的理论基础和设计方法论。 第一章:动态系统中的信号挑战与滤波需求 本章首先界定了现代控制系统(如高精度机器人、航空航天姿态控制、复杂工业过程控制等)所面临的典型信号环境。我们分析了系统中噪声源的特性,包括环境噪声、传感器量化噪声、作动器不确定性以及系统内部的非线性扰动。重点讨论了传统滤波方法(如巴特沃斯、切比雪夫滤波器)在应对时变噪声和系统模型不确定性时的局限性。由此引出对自适应滤波器的迫切需求:如何在系统运行中,实时识别和抵消那些特性不断变化的干扰信号,同时保持对系统期望动态的最小失真? 第二章:自适应滤波的理论基石 本章详细阐述了自适应滤波器的数学框架。我们从随机过程理论出发,回顾维纳滤波器的最优线性估计原理,并引入最小均方误差(MMSE)准则。在此基础上,本书的核心内容——自适应算法被系统地介绍: 1. LMS (Least Mean Squares) 算法: 深入剖析LMS算法的迭代过程、收敛性分析(步长选择对性能和稳定性的影响),以及其在计算复杂度与收敛速度之间的权衡。 2. NLMS (Normalized LMS) 算法: 介绍归一化技术如何提高算法对输入信号功率变化的鲁棒性,并给出实际应用中的归一化因子选择准则。 3. 次梯度法与随机梯度下降: 从优化角度理解自适应滤波的本质,并探讨更高级的优化技术在解决非平稳环境下的潜力。 4. 递归最小二乘(RLS)算法: 详细推导RLS算法及其改进版本,分析其快速收敛的优势,以及在实际工程中应对有限精度和运算量限制的策略。 第三章:自适应滤波器在控制系统中的关键应用场景 本章将理论与实际工程紧密结合,展示自适应滤波在解决实际控制难题中的有效性: 传感器噪声抑制与状态估计: 探讨如何利用自适应滤波器替代或增强卡尔曼滤波器中的噪声协方差矩阵估计,尤其是在传感器故障或噪声特性突变的情况下。 系统辨识与参数跟踪: 阐述如何设计自适应滤波器作为在线系统辨识器,实时跟踪控制对象模型参数的变化(例如机械摩擦系数随温度的变化、电机老化等),为后续的自适应控制提供准确的模型信息。 逆建模与前馈补偿: 在存在难以建模的系统延迟或非线性环节时,自适应逆模型滤波器可以用来构造前馈路径,以快速补偿这些不利影响,提高系统的瞬态响应性能。 主动噪声与振动控制(ANVC): 详细介绍“误差信号最小化”结构,如何利用自适应滤波器来驱动激励器,抵消由外部激励引起的结构振动或噪声,特别关注FXLMS(Filtered-x LMS)算法在声学和机械系统中的应用。 第四章:鲁棒性、稳定性和收敛性分析 自适应滤波器在实际控制闭环系统中使用时,其稳定性是首要考虑因素。本章专注于工程实践中的鲁棒性问题: 1. 闭环系统稳定性分析: 当自适应滤波器嵌入到反馈回路中时,如何保证闭环系统的渐进稳定或指数稳定?我们采用Lyapunov稳定性理论和输入-输出稳定性方法,分析滤波器系数更新过程对系统稳定性的潜在影响。 2. 有限精度效应: 讨论在嵌入式或DSP实现中,由于量化误差和乘法累加器溢出导致的滤波器性能下降和可能的不收敛现象。 3. 收敛速度与误跟随(Misadjustment): 深入探讨算法的误跟随误差的来源,并提出通过变步长技术(如基于误差方差或输入功率的自适应步长)来动态优化收敛速度和稳态性能的方法。 4. 奇异性处理: 针对RLS等算法中可能出现的矩阵求逆奇异问题,提出正则化和投影技术以确保算法的持续运行。 第五章:面向实时嵌入式实现的考量 本章关注如何将成熟的自适应滤波算法高效地部署到实际的控制硬件平台上。 计算复杂度评估: 对LMS、NLMS和RLS算法在不同维度(乘法次数、加法次数、内存访问)进行详细的计算成本分析。 并行化与流水线设计: 探讨在多核处理器或专用加速器上实现自适应滤波器的并行化策略,以满足高采样率控制回路的需求。 内存管理与数据结构: 针对有限内存环境,设计高效的数据结构来存储历史数据和滤波器权值,优化缓存命中率。 软件/硬件协同设计: 讨论在FPGA或微控制器上实现自适应滤波器的最佳划分点,以及定点数运算带来的精度与速度的权衡。 附录: 提供了LMS和RLS算法的MATLAB/Simulink模型实现示例,以及关键的收敛性证明的详细推导过程。 本书的编写风格严谨,侧重于工程应用和数学上的严密性,旨在培养读者不仅能“使用”自适应滤波器,更能“设计”和“分析”其在复杂控制环境中表现的能力。

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目录信息

读后感

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用户评价

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《Design for Embedded Image Processing on FPGAs》这本书的名字极具诱惑力,因为它承诺了一个将强大计算能力的FPGA与视觉智能处理相结合的迷人世界。我个人在人工智能和嵌入式系统领域都有一定的涉猎,一直希望能找到一本能够桥接这两个领域的深度著作,特别是关于如何在FPGA上高效部署和加速复杂的图像处理和计算机视觉算法。我设想这本书会详细介绍FPGA架构的特性如何支持并行计算,以及如何将主流的图像处理算法,如特征检测、对象识别、图像分割等,映射到FPGA的硬件资源上。我期待书中能够提供清晰的设计流程,从算法的量化和优化,到硬件描述语言(HDL)的设计,再到FPGA的综合、布局和布线。我希望能看到关于如何选择合适的FPGA器件系列、如何利用IP核库、以及如何进行性能分析和功耗评估的实用建议。然而,在阅读的过程中,我发现本书的内容似乎更倾向于为已经熟悉FPGA开发和数字逻辑设计的读者提供一些具体的实现技巧和算法范例。书中充满了大量的硬件代码示例,这些代码虽然展示了算法在FPGA上的实现方式,但对于我这样更注重于高级设计概念和系统架构的读者来说,显得有些过于底层和零散。我希望能看到更多关于如何进行高层次综合(HLS)的介绍,以及如何利用HLS工具来加速开发流程,同时又能保证性能。此外,书中对如何处理嵌入式系统中常见的I/O接口、数据存储、以及与SoC(System-on-Chip)中其他组件的集成问题,也没有提供足够深入的探讨。总而言之,这本书更像是一本技术手册,它提供了很多关于“怎么做”的细节,但对于“为什么这么做”以及“如何进行整体设计”的指导却相对薄弱,对于期望获得系统性设计框架的读者而言,可能需要更多额外的参考资料。

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当我看到《Design for Embedded Image Processing on FPGAs》这本书的书名时,立刻燃起了深入探索嵌入式视觉处理前沿技术的浓厚兴趣。在当前万物互联和智能化浪潮下,能够在终端设备上实现高效、实时的图像处理是至关重要的,而FPGA因其独特的灵活性和高性能,成为了这一领域的明星。我渴望在这本书中找到关于如何将复杂的图像算法,如深度学习推理、实时目标跟踪、或者高清视频编码等,高效地移植到FPGA上的系统性设计方法论。我期望书中能够详细阐述FPGA架构的并行处理能力如何被充分利用,以及如何针对不同的图像处理任务进行硬件加速。理想的情况是,书中能提供从算法选型、模型优化、到硬件架构设计、IP核集成,再到软件驱动和系统联调的完整流程。然而,在实际阅读中,我发现这本书的内容更像是对一系列特定图像处理算法在FPGA上实现的“案例集锦”。书中充斥着大量的硬件描述语言(HDL)代码,这些代码虽然技术上是严谨的,但对于我这个更侧重于理解设计理念和整体架构的读者来说,却显得有些生硬和难以消化。我希望能看到更多关于如何进行算法与硬件协同设计、如何在资源约束下进行权衡取舍、以及如何利用高层次综合(HLS)工具来提高开发效率的讨论。此外,书中对于嵌入式系统中实际遇到的挑战,例如功耗管理、内存带宽限制、与CPU的协同工作模式、以及调试和验证策略,都没有提供足够的篇幅和深入的分析。这本书更像是一本“工具箱”,里面装着各种精密的零件,但如何根据不同的“工程项目”来组装和使用这些零件,书中给出的指导相对有限。

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这本书就像一把开启嵌入式图像处理大门的钥匙,但当我真正翻开它,却发现它更像是一本详尽的工具箱,里面塞满了各种精心打磨的工具,但它们的使用说明书却留在了别处。我对FPGA在图像处理领域的应用一直抱有浓厚的兴趣,特别是其在实时性、功耗和可编程性上的独特优势。这本书的名字《Design for Embedded Image Processing on FPGAs》无疑击中了我的痛点,我期待能在这里找到关于如何将复杂的图像算法映射到FPGA架构上的系统性方法,以及如何利用FPGA的并行计算能力来加速处理流程的实操指南。然而,当我深入阅读,我发现书中充斥着大量的硬件描述语言(HDL)代码片段,以及对特定FPGA架构细节的深入探讨,这些内容虽然技术上是准确的,但对于我这样一个更侧重于算法理解和系统设计的读者来说,却显得有些过于晦涩和零散。我渴望的是对整体设计流程的梳理,例如从算法选择、模型优化到硬件实现策略的权衡,以及不同图像处理任务(如边缘检测、特征提取、滤波等)在FPGA上实现的典型设计模式。书中虽然提及了这些应用场景,但更多的是通过代码实例来展示,缺乏对背后设计思路和权衡过程的深入剖析。我希望书中能有更多关于如何根据应用需求选择合适的FPGA器件、如何进行IP核选型和集成、以及如何利用高层次综合(HLS)工具来简化开发流程的指导。此外,对于嵌入式系统设计中常见的资源约束、功耗优化以及调试策略,书中也未提供足够深入的讨论。总的来说,这本书更适合那些已经具备一定FPGA硬件开发经验,并且希望深入了解特定嵌入式图像处理实现细节的工程师,而非我这样的初学者或侧重于算法层面的研究者。

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初次接触《Design for Embedded Image Processing on FPGAs》,我被其题目所吸引,因为它直击了嵌入式系统领域一个极具挑战性且前景广阔的分支。我一直对在资源受限的硬件平台上实现高效图像处理充满好奇,尤其是在自动驾驶、医疗成像、安防监控等对实时性和低功耗有严苛要求的应用中,FPGA的潜力不容忽视。我满怀期待地翻阅这本书,希望能够掌握一套行之有效的设计方法论,能够帮助我将抽象的图像处理算法转化为实际可部署的FPGA解决方案。书中确实涵盖了FPGA在图像处理中的一些基础概念,例如像素处理、流水线设计以及基本的图像滤波器实现。然而,阅读过程中,我发现本书的重点似乎更多地放在了对各种图像处理算法在FPGA上实现的具体代码细节上,而非对整体设计框架和策略的阐述。我期待的是一本能教我如何从头开始设计一个完整的嵌入式图像处理系统的书籍,包括如何进行系统级需求分析、如何根据算法特性选择合适的FPGA架构、如何进行并行化和流水线优化、以及如何有效地进行IP核复用和定制。书中虽然有大量的Verilog或VHDL代码示例,但这些代码更多地像是“展示品”,缺乏对其背后的设计Rationale的详细解释。例如,当书中介绍一个边缘检测算法的FPGA实现时,我更希望了解的是为何选择特定的并行策略、如何处理边界条件、以及在资源受限情况下如何进行权衡,而不是直接面对一大堆晦涩的代码。此外,书中对实际嵌入式系统中常见的挑战,如内存管理、数据传输瓶颈、功耗优化、以及与ARM等处理器协同工作的设计模式,也没有进行深入的探讨。这本书更像是一本“食谱”,提供了很多“菜肴”的制作方法,但对于“烹饪哲学”和“营养搭配”的指导却相对欠缺。

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《Design for Embedded Image Processing on FPGAs》这本书的书名,对于任何对嵌入式系统和图像处理交叉领域感兴趣的人来说,都具有极强的吸引力。我一直关注FPGA在处理高速、低延迟图像数据方面的优势,并希望能够深入了解如何将其转化为实际的应用。我理想中这本书应该是一本能够提供系统性设计指导的权威指南,它能够教会我如何从零开始,将一个抽象的图像处理算法,通过FPGA的硬件实现,最终部署到一个嵌入式系统中。我期待书中能涵盖从算法选择、模型优化,到硬件架构设计、并行化策略、以及IP核的集成与验证等全过程。我希望看到的是对不同图像处理任务,如滤波、特征提取、分割、目标检测等,在FPGA上实现的典型设计模式和性能优化技巧的详细介绍。然而,当我深入阅读这本书时,我发现它的侧重点似乎更在于对具体算法在FPGA上实现的“代码实现”层面。书中包含了大量的硬件描述语言(HDL)代码示例,这些代码虽然展示了算法的硬件化过程,但对于我这个更侧重于理解宏观设计思路和系统集成层面的读者来说,显得有些过于细节化和零散。我更希望书中能够提供关于如何进行高级抽象,例如如何利用高层次综合(HLS)工具来加速设计流程,以及如何针对不同的FPGA平台进行优化。此外,书中对实际嵌入式系统设计中常见的挑战,如功耗优化、内存管理、与CPU的交互、以及系统的可测试性和调试,也未提供足够深入的探讨。总的来说,这本书更像是一本“技术手册”,它提供了很多实现细节,但对于构建一个完整的嵌入式图像处理系统所需的“设计哲学”和“工程方法论”,指导相对有限。

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作者写的不是很深入,很多地方说的不够透彻,浅尝辄止。

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