臺灣博碩士論文加值系統

本論文係有關二值化文件影像旋轉演算處理器之軟/硬體整合設計與驗證，相關研究工作包含四大部分：
第一部份為二值化文件影像旋轉演算法之軟體設計，在分析其優缺點並考量嵌入式硬體資源的限制後，發展出以視窗為處理單位之視窗式反向對映線性內插旋轉演算法。
第二部份為設計與實現視窗式反向對映線性內插旋轉演算法之演算處理器，同時使用雙倍資料傳輸率同步動態記憶體以儲存完整影像，因此處理器的設計包含了參考影像提取單元、旋轉與內插處理單元、目的影像資料儲存單元以及雙倍資料傳輸率同步動態記憶體控制器。最後，將以上設計之硬體整合於SOPC系統中，並以Altera FPGA開發板實現之。
第三部份是撰寫演算處理器之相關驅動程式，再使用RPC-based驗證系統來驗證其功能。
第四部份是演算處理器之驗證、效能評估與執行效能。
整體而言，本論文係以研究二值化文件影像旋轉演算法與設計其處理器為目標，並將其實作於FPGA開發板上。經各種不同的影像與旋轉角度實驗，證實本論文所發展的演算法有極佳的效果，其相關之軟/硬整合設計方法，亦可改善演算處理器設計與驗證流程之效率。

This thesis is related to the hardware/software co-design and verification of an algorithmic processor for binary document image rotation. The research work includes four parts:
The first part is about software design of the rotation algorithm for binary document images. After analyzing the advantages and disadvantages of these algorithms and considering about the limited resources in the embedded hardware, a window-based rotation algorithm which uses inverse mapping and linear interpolation has been developed.
The second part is to design and implement an algorithmic processor for the window-based rotation algorithm mentioned above. It stores full binary document images in DDR SDRAM. Therefore the processor consists of reference-region fetch unit, rotation-interpolation unit, destination-data store unit, and DDR SDRAM controller. Finally, the above hardware modules are integrated into an SOPC-based system and implemented on an Altera FPGA development board.
The third part is to write the related drivers for the algorithmic processor. Then the function of the algorithmic processor is verified through using a RPC-based verification system.
The fourth part is about the verification and evaluation of the run-time performance of the algorithmic processor.
On the whole, the goal of this thesis is to do researches on the development of a rotation algorithm for binary document images. Then the related algorithmic processor is developed and implemented on the FPGA development board. After being verified by using various images and rotation angles, the algorithm developed in this thesis has shown very good performance for binary document image rotation. Meanwhile, it also shows that the hardware/software co-design method presented can improve the efficiency of both the design and verification flows.

第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究內容相關架構 3
1.3 論文組織及概觀 4
第2章 文件影像旋轉演算處理器軟/硬整合設計之發展環境與驗證流程 5
2.1 SOPC-based軟/硬整合設計簡介 5
2.2 SOPC-based軟體發展環境 7
2.2.1 Cygwin 7
2.2.2 Linux 7
2.2.3 IDE 8
2.2.4 SDK Shell 8
2.3 SOPC-based硬體發展環境 9
2.3.1 NIOS II嵌入式系統 9
2.3.2 Quartus II SOPC發展系統 13
2.3.3 Altera Stratix II FPGA開發板 15
2.4 SOPC-based文件影像旋轉演算處理器驗證架構與開發流程 16
2.4.1 RPC-based文件影像旋轉演算處理器軟體驗證架構 16
2.4.2 RPC-based文件影像旋轉演算處理器硬體開發流程 18
第3章 文件影像旋轉演算法與Linux-based軟體設計 20
3.1 文件影像旋轉演算法之原理介紹 20
3.1.1 正向對映演算法 21
3.1.2 反向對映演算法 22
3.1.3 鄰近內插法 23
3.1.4 線性內插法 23
3.2 Linux-based文件影像旋轉演算法之軟體相關設計 24
3.2.1 圖形資料儲存方式與資料格式 25
3.2.2 演算法軟體設計之結構 26
3.3 全域式文件影像旋轉演算法軟體設計與結果分析 28
3.3.1 正向對映法 28
3.3.2 反向對映法 30
3.4 視窗式文件影像旋轉演算法之設計與實現 32
3.4.1 演算法結果比較 32
3.4.2 視窗式反向對映線性內插演算法之設計與實現 33
第4章 文件影像旋轉演算處理器硬體與NIOS II端驅動程式之設計 37
4.1 演算處理器硬體設計簡介 37
4.2 基本算術運算之硬體設計 40
4.3 記憶體之硬體設計 43
4.3.1 資料之儲存格式 43
4.3.2 資料於動態記憶體之儲存方式 43
4.3.3 內部記憶體之硬體設計 45
4.4 雙倍資料傳輸率同步動態記憶體簡介與控制器硬體設計 47
4.4.1 雙倍資料傳輸率同步動態記憶體簡介 47
4.4.2 雙倍資料傳輸率同步動態記憶體控制器硬體架構 50
4.4.3 雙倍資料傳輸率同步動態記憶體控制器之控制流程 53
4.5 文件影像旋轉演算處理器硬體設計 58
4.5.1 演算處理器結構簡介 58
4.5.2 控制單元之硬體設計 59
4.5.3 參考影像區域提取單元 62
4.5.4 旋轉與線性內插處理單元 71
4.5.5 目的影像資料儲存單元 76
4.6 文件影像旋轉演算處理器之軟/硬體介面設計 79
4.6.1 文件旋轉演算處理器控制/狀態暫存器資料格式 80
4.6.2 NIOS II驅動程式設計 81
第5章 文件影像旋轉演算處理器之驗證與效能測試 84
5.1 驗證與測試環境簡介 84
5.2 文件影像旋轉演算處理器結果驗證 85
5.2.1 結果驗證方法簡介 85
5.2.2 處理結果 86
5.3 文件影像旋轉演算處理器之軟/硬體效能評估與測試 92
5.3.1 軟/硬體效能測試方法簡介 92
5.3.2 Linux端軟體執行效能 94
5.3.3 文件影像旋轉演算處理器之各處理單元效能評估 95
5.3.4 文件影像旋轉演算處理器執行效能 96
5.3.5 軟/硬體執行效能之比較 97
第6章 結論 99

[1]陳鶴仁, SOPC-based演算處理器驗證系統之硬體設計, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十五年。

[2]吳家豪, RPC-based演算處理器驗證系統之Linux端相關軟體設計, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十五年。

[3]吳家豪, RPC-based演算處理器驗證系統之NIOS II端相關軟體設計, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十五年。

[4]翁智賢, 影像處理演算處裡器之軟/硬體整合設計與實現, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十六年。

[5]黃寅修, 邊界與邊角偵測演算處理器之軟/硬整合設計與實現, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十六年。

[6]許志豪, 影像二值化演算處理器之軟/硬整合設計與實現, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十八年。

[7]Altera Corporation, Quartus II Handbook, 2005.

[8]Altera Corporation, Avalon Bus Specification Reference Manual, 2005.

[9]Altera Corporation, Nios Development Board Stratix II Edition Reference Manual, 2007.

[10]S. Banerjee and A. Kuchibhotla, “Real-time optimal-memory image rotation for embedded systems,” IEEE International Conference on Image Processing, Nov. 2009, pp. 3277-3280.

[11]C. R. Baugh and B. A. Wooley, “A two’s complement parallel array multiplication algorithm,” IEEE Transactions Computer, vol. C-22, no. 12, December 1973, pp. 1045¬¬-1047.

[12]S. M. Bhaudaker and Y. Huaiyuan, “VLSI implementation of real-
time image rotation,” Proceedings of International Conference on Image Processing, vol.2, Sep. 1996, pp. 1015-1018.

[13]Michael D. Ciletti, Advanced Digital Design with the Verilog HDL, Prentice-Hall, 2003.

[14]M. Hatamian and G. Cash, “A 70-MHz 8-bit x 8-bit parallel pipelined multiplier in 2.5-um CMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Aug. 1986.

[15]IEEE Standard 1364.1TM-2002, IEEE Standard for Verilog Register Transfer Level Synthesis.

[16]K. Mahata and A. G. Ramakrishnan, “A novel scheme for image rotation for document processing,” Proceedings of International Conference on Image Processing, vol. 2, Sep. 2000, pp. 594-596.

[17]Micron Technology Inc, Synchronous DRAM Data Sheet, 2001.

[18]J. H. Park, I. H. Jang, and N. C. Kim, “Skew correction of business card image in PDA,” IEEE Conference on Communications, Computer and Signal Processing, vol. 2, Aug. 2003, pp. 724-727.

[19]David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Organization & Design: the Hardware/Sorftware Interface, 2nd ed., Morgan Kaufmann, 2003.

[20]Milan Sonka, Vaclav Hlavac, and Roger Boyle, Image Processing, Analysis, and Machine Vision, 2nd ed., PWS Publishing, 1999.

[21]N. Tsuchida, Y. Yamada, and M. Ueda, “Hardware for image rotati-
on by twice skew Transformations,” IEEE Transactions on Acousti-
cs, Speech, and Signal Processing, vol. 35, no. 4, Apr. 1987, pp. 527-532.

[22]Z. Yu, J. Dong, Z. Wei, and J. Shen, “A fast image rotation algorithm for optical character recognition of chinese documents,” International Conference on Communications, Circuits, and System Proceedings, vol. 1, June 2006, pp. 485-489.