基于PYNQ平台的人脸检测系统设计

ZYNQ平台提供了ARM+FPGA架构用以提高系统执行效率。PYNQ平台在ZYNQ基础上添加了linux+python环境,降低使用异构平台开发计算机视觉算法难度,因此对基于PYNQ的人脸检测系统进行研究。使用vivado工具链设计并实现人脸检测核心算法、使用高层次综合工具将检测算法定制为可复用IP核、添加粘合逻辑将定制的IP核与ZYNQ硬核相连、编写上位机驱动程序控制实现ARM和FPGA数据交互过程、实现数据采集并以视频流输入结果等步骤。此实验案例以软硬件协同设计为指导思想,充分发挥FPGA的并行计算性能和ARM程序设计灵活性,有效提高人脸检测系统执行效率。     

基于稀疏正则化的内外置电极电容层析成像

利用一种基于软阈值的稀疏正则化图像重构算法,对IEE ECT内部的介质分布进行重构,并与Landweber迭代算法进行对比。仿真和实验结果表明:对于内外置电极的ECT,基于软阈值的稀疏正则化重构算法可以明显减少迭代步数,提高重构图像的质量。     

基于分割Bregman迭代的内-外置电极电容层析成像

针对电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)逆问题的病态性和不适定性,提出了一种基于分割布雷格曼迭代(split Bregman iteration,SBI)的图像重构算法。在目标函数中引入基于参考图像的正则化、低阶约束和空间约束,从而提高成像质量和空间分辨率。对内-外置电极的ECT敏感场内环形区域进行图像重建。仿真结果表明:与Tlkhonov正则化算法和Landweber迭代算法相比,基于布雷格曼迭代的图像重建算法具有较好的空间分辨率,图像误差降低至0. 162 1,图像相关系数提升至0. 874 4,图像重建的精度和质量较高,说明了该算法在ECT图像重建领域的可行性和有效性。     

压缩感知在ECT分相含率检测中的应用

该文研究了压缩感知(CS)理论在电容层析成像(ECT)问题中的应用,有效解决了图像重构中的欠定性问题,从而通过图像计算两相流中的截面分相含率。首先,采用时域基作为图像向量的稀疏基,并采用高斯随机对灵敏度矩阵进行重新排序,设计其观测矩阵;然后,将不动点迭代算法FPC应用于凸优化问题的求解,得到重构图像;最后,利用最优阈值算法对重构图像进行灰度处理,由灰度图像进行分相含率的计算。在仿真实验阶段建立ECT传感器模型,对3种典型两相流流型进行重构,并与经典的LBP,Landweber算法综合3种重构效果评价指标进行比较。仿真结果表明:基于CS的ECT重构算法在只有少量测量数据的情况下也能精确地重构图像,且成像质量远高于LBP算法,并优于Landweber迭代算法,成像速度也大幅提升,有效提高了分相含率检测的准确性。     

利用半迭代重整ECT图像在气固两相流测量上的应用

可视化测量工具ECT通过迭代法求解逆问题进行图像重整,但是目前文献中采用的迭代算法,仍不能完全解决空间分辨率低的问题,不能正确得出复杂分布和稀相两相流的图像.本文首次提出并采用Landweber半迭代算法用于ECT图像重整,通过对静态和动态测量,对浓相和循环悬浮床内稀相的测量,将重整出的图像与其他算法对比,显示了半迭代法在空间分辨率方面的优越性.Landweber半迭代法为ECT进一步实际应用到气固两相流测量提供了新的保证.     

利用半迭代重整ECT图像在气固两相流测量上的应用

可视化测量工具ECT通过迭代法求解逆问题进行图像重整，但是目前文献中采用的迭代算法，仍不能完全解决空间分辨率低的问题，不能正确得出复杂分布和稀相两相流的图像。本文首次提出并采用Landweber半迭代算法用于ECT图像重整，通过对静态和动态测量，对浓相和循环悬浮床内稀相的测量，将重整出的图像与其他算法对比，显示了半迭代法在空间分辨率方面的优越性。Landweber半迭代法为ECT进一步实际应用到气固两相流测量提供了新的保证。     

阈值Landweber在MIT图像重建中的应用

针对目前磁感应成像技术的图像重建质量较低、速度较慢的问题,提出了一种阈值Landweber重建算法.该算法在Landweber算法的基础上设置门限阈值,并在每次迭代中都自适应地调节阈值参数,从而提高了重建图像质量且加快Landweber方法的收敛速度.在Comsol Multiphysics仿真软件建立MIT系统模型的基础上,利用有限元方法求解了正问题.模拟结果表明,利用阈值Landweber图像重建算法获得的图像质量比LBP、未添加阈值的Landweber图像重建算法要好,同时也加快了收敛速度.     

基于HLS和PYNQ图像缩放的硬件加速器设计

针对CPU进行图像处理已经无法满足系统实时性需求这一情况,提出了一种基于HLS和PYNQ的图像处理硬件加速器设计。该设计利用了FPGA具有数据并行处理的优势,克服了FPGA不易开发、移植性较差的缺陷。首先选择图像缩放处理算法作为实验的测试对象;然后在ZYNQ平台上根据软硬件协同的特点分配不同的系统任务,通过HLS开发工具使用C++实现和优化图像处理算法,并转化成RTL文件,再打包成IP核输出;在Vivado2018.3上搭建硬件实验平台,通过Jupyter Lab对实验进行验证和分析。结果表明,缩放算法的处理速度由CPU端的1 110 ms缩减为FPGA端的213 ms,执行速度提升了5倍。     

卷积神经网络在ECT图像重建上的应用

针对电容层析成像的图像重建精度较低的问题,提出一种基于卷积神经网络的ECT图像重建方法.首先阐述了ECT图像重建的基本原理,并利用COMSOL软件提取了大量的学习样本.然后以Landweber算法的图像重建结果作为初始状态,建立了卷积神经网络模型,并进行网络训练,保存训练完成的网络模型.最后选取样本以外的五种不同流型进行了仿真实验,实验结果表明,利用此算法所获取的重建图像相应指标要比LBP以及Landweber要好很多.所以该图像重建算法是一种有效且精度较高的图像重建算法.     

基于ARM+FPGA的高开放性数控系统研究

针对传统的数控系统稳定性低、插补效果差、成本昂贵等不足,用ARM芯片作为主控制器,用FPGA作为运动控制器,提出了一种ARM+FPGA双核心控制系统架构的高开放性数控系统,并给出了硬件系统组成框图,进行了ARM芯片与FPGA的通信接口设计,分析了系统的软件架构,用VHDL编程在FPGA上实现了数字插补、加减速等运动控制关键模块﹒实验与研究表明,本系统具有成本低、开放性高、插补能力强和可移植性好等优点﹒     

改进型离线迭代在线重构算法的电容层析成像技术研究

针对电容层析成像技术的逆问题中图像重构精度与速度的矛盾性,以12电极电容层析成像系统为对象,提出了一个改进型离线迭代在线重构(OIOR)算法。改进型OIOR算法是针对OIOR算法成像精度不高的问题加入了迭代滤波过程,既保证了成像速度,同时也提高了成像精度。以仿真电容值和实测电容值进行了图像重构的实验验证,从成像效果、相对误差、相关系数以及重构时间这4个方面对此算法进行了分析评估。仿真及实验结果表明:改进型OIOR算法通过迭代滤波100次即可在20ms内有效提高传统OIOR算法重构图像的精度,使其相对误差降低约20%;与传统迭代法相比,在获得相同精度图像的条件下,其重构时间约为传统迭代算法的1/10。     

代数重建和同步迭代重建在电容层析成像中的比较研究

针对电容层析成像技术(ECT)中的逆问题——图像重建算法的非线性和病态性问题,以12电极电容层析成像系统为对象,研究了代数重建算法(ART)与同步迭代重建算法(SIRT).分别对仿真电容值和实测电容值进行图像重建的实验验证,从成像效果、相对误差及重建时间3个方面对这两种算法进行了评估与分析.结果表明,ART算法和SIRT算法均能有效地实现ECT图像重建,其中SIRT算法能够在100次迭代内达到高精度,在收敛速度和成像效果上更具有优势.     

用于ECT图像重建的预处理Landweber迭代算法

针对Landweber迭代方法收敛速度慢的问题,采用预处理方法来加快其收敛速度,即减少为计算有效解所需的迭代步数,由求解方程ATAf=ATg变为求解DATAf=DATg,其中D是预处理矩阵.讨论了构建预处理矩阵的一般方法.采用两级预处理策略构建预处理矩阵,将大的奇异值聚合并与小的奇异值分隔开来,而不是将所有的奇异值聚合在一点上,避免信号与噪声混合.使用仿真数据对预处理Landweber方法的收敛速度以及重建图像质量进行了评价.实验表明,预处理投影Landweber迭代方法同未经预处理的Landweber相比只需很少的迭代步数就可以获得比较满意的重建结果,为电容层析成像技术在线进行定量的图像重建...     

同步迭代图像重建技术在电容层析成像系统中的应用

在电容层析成像 (ECT)系统中 ,为克服电容测量值数目有限以及管道内敏感场分布的“软场效应”,引入了一种同步迭代图像重建技术 (SIRT)。针对收敛速度和重建后图像的模糊效应 ,对 SIRT算法进行了改进。改进后的 SIRT算法使重建图像的速度和质量都有了明显的提高。对八电极ECT系统进行的仿真和静态实验结果表明 ,这种算法可望满足用于在线工业过程电容层析成像系统成像的要求。     

电容成像图像重建算法原理及评价

对现有的电容成像图像重建算法进行了综述并介绍了其原理,其中包括线性反投影法(LBP)、基于奇异值分解(SVD)的直接算法、Tikhonov正则化方法、Newton-Raphson算法、最速下降法、Landweber迭代算法、代数重建技术(ART)、同步迭代重建技术(SIRT)和基于模型的重建算法。在此基础上使用仿真和实验数据对目前主要使用的线性反投影法、基于奇异值分解的直接方法、Tikhonov正则化方法、Tikhonov迭代、投影Landweber迭代等进行了评价。对它们从电容值误差、图像误差、相关系数和耗用时间几个角度进行了比较,并对今后电容成像图像重建算法的发展方向提出了一些看法。     

基于DCT频带能量的压缩感知重构算法

为提高压缩感知图像的重构质量,提出了一种基于离散余弦变换(DCT)分频带压缩感知的平滑投影Landweber重构算法.该算法充分考虑了不同的DCT系数频带对重构图像质量有不同的影响,对图像进行分块DCT后,按照频带能量大小重新组织DCT系数,对能量大的频带分配大的采样率,通过分频带变采样率的随机矩阵实现随机观测,采用平滑滤波器消除块效应,由投影Landweber算法实现图像的重构.实验结果表明,与BCS-SPL和MS-BCS-SPL重构算法相比,文中提出的算法显著提高了重构图像的峰值信噪比.     

用于电容层析成像技术的共轭梯度算法

针对电容层析成像技术中的“软场”效应和病定问题,基于灵敏度矩阵的奇异值分解理论,提出共轭梯度图像重建算法及其改进算法———正则化共轭梯度法.仿真实验得知:经过 200次迭代后,Landweber算法残差为0. 139 5,未加正则化的共轭梯度算法残差为 1. 357 7×10-4;完成同样操作,Landweber算法迭代耗时 9. 3s,共轭梯度法只需 6. 8s.可见,共轭梯度法是一种比其他的迭代算法收敛更快、成像效果更好的图像重建算法.     

带限信号重构问题的迭代正则化方法

针对带限信号重构问题的迭代正则化方法,提出用Landweber迭代法和最速下降法求解低频带限信号重构问题,导出正则化问题的预条件梯度迭代格式,并对三种方法进行比较,进行数值模拟的结果表明:最速下降法与Landweber迭代法具有非常相似的迭代公式,最速下降法既是正则化方法,又可以最优选取迭代步长,比Landweber迭...     

粒子群优化的GPSR-BB压缩感知重构算法

为了减少压缩感知中梯度投影稀疏重构法算法(GPSR-BB)的运行时间和迭代次数,有效地提高算法的重构性能,将具有全局搜索能力的粒子群算法应用到GPSR-BB算法中。利用粒子群优化算法的全局开发能力和GPSR-BB算法的局部搜索能力,加快了算法的收敛速度,减少了算法的迭代次数;通过对GPSR-BB算法中线搜索条件的改进,有效地提高了算法的重构精度。仿真实验表明:改进的GPSR-BB算法比传统的GPSR-BB算法运行时间缩短了43%、迭代次数降低了39.7%。在观测维数一定的条件下,改进的GPSR-BB算法重构成功概率高于传统的算法0.04,重构误差低于传统的0.09,具有较好的重构性能。     

一种改进的变步长前后向追踪重建算法

压缩感知中前后向追踪（forward-backward pursuit,FBP）算法能有效缩短重建时间,但一旦迭代过程中前向、后向步长确定,将导致计算时间增长,影响重构效率,因此,提出一种改进的FBP算法,称为变步长前后向追踪算法（variable step size forward-backward pursuit,VSSFBP）.该算法引入判决阈值和等比因子,考虑到估计的稀疏度远小于真实稀疏度,选择较大迭代步长,减少迭代次数,缩短运行时间;同时考虑到当估计的稀疏度达到一定值时,减小迭代步长,减慢逼近的速度,提高信号重构精度.仿真结果表明：VSSFBP算法在保证重构效果的同时,明显缩短了重构时间.当图像压缩比为0.45时,信噪比提高了1 dB,峰值信噪比提高了0.8 dB,重构时间降低为原来FBP算法的42.04%.与同类算法相比,在保持较高的峰值信噪比和信噪比的条件下, VSSFBP算法消耗的时间大大缩短,重构速度更快,重构信号更精确.