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研究生: 林烝祺
論文名稱: 以FPGA實現可自動對焦之 3D數位全像重建系統
The Implementation of Autofocusing System by FPGA for 3D Digital Holography Reconstruction
指導教授: 黃文吉
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 資訊工程學系
Department of Computer Science and Information Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 57
中文關鍵詞: 現場可程式化閘陣列菲涅耳轉換自動焦距校正
英文關鍵詞: FPGA, Fresnel Transform, Autofocusing
論文種類: 學術論文
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  • 本論文主要目的為在FPGA(Field Programmable Gate Array)平台提出一個硬體電路架構以實現全像圖的3D影像重建,此架構提供3D影像還原其相位所需的繞射計算以及相位展開功能,並且能夠對影像還原的焦距進行自動校正。此架構具有兩大優勢,其一為解決現存以GPU為主的3D影像還原系統功率消耗較高的缺點。其二為提供大多3D影像重建系統缺少的自動焦距校正功能。此架構中利用硬體進行菲涅耳轉換(Fresnel Transform)以執行繞射計算,自動焦距校正的部分則使用Normalized Variance數值來評估不同焦距下的影像清晰度。
    在論文中我們將以FPGA來實現上述之硬體架構,並實際量測此架構執行之效能與功耗,根據實驗結果,本論文提出的架構較GPU或其他實現方式更具有可攜性、低功率消耗以及高速計算的優點。對於嵌入式數位全像顯微鏡(Embedded Digital Holographic Microscopy)等相關應用下是相當適合的設計架構。

    中文摘要 i 目錄 iii 表目錄 iv 圖目錄 v 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2動機與目的 3 1.3研究方法 5 1.4全文架構 7 第二章 基礎理論及技術背景介紹 8 2.1菲涅耳轉換 8 2.2 相位展開之基礎理論 12 2.3自動對焦系統之基礎理論 13 2.4討論菲涅耳轉換及自動對焦於數位全像顯微鏡之應用 15 2.5 FPGA系統設計 18 第三章 系統架構 20 3.1菲涅耳轉換 21 3.1a前轉換單元(Pre-transform Unit) 22 3.1b快速傅立葉轉換單元(FFT Unit) 24 3.1c後轉換單元(Post-transform Unit) 27 3.1d 菲涅耳轉換架構之運作 28 3.2搜尋與評估系統架構 29 3.2a搜尋單元(Search Unit) 30 3.2b評估單元(Evaluation Unit) 33 3.2c 3D重建單元(3D reconstruction Unit) 35 第四章 實驗數據與效能比較 36 4.1 開發平台與實驗環境設定 36 4.2 實驗數據呈現與討論 39 第五章 結論 54 參考文獻 55 表目錄 表1. 1 FPGA與GPU架構之特性比較 4 表4.1 Altera Stratix IV EP4SGX230KF-40C2 37 表4.2 菲涅耳轉換與相位展開各單元資源複雜度比較 39 表4.3 搜尋與評估系統中各單元資源複雜度比較 40 表4.4 菲涅耳轉換與相位展開電路各單元之ALMs資源消耗表 42 表4.5 搜尋與評估系統各單元之ALMs資源消耗表 42 表4.6 菲涅耳轉換與相位展開電路各單元之Memory bits資源消耗表 43 表4.7 搜尋與評估系統各單元之Memory bits資源消耗表 43 表4.8 菲涅耳轉換與相位展開電路各單元之DSP blocks資源消耗表 44 表4.9 自動對焦系統各單元之DSP blocks資源消耗表 44 表4.10 整體電路在DE4開發板之資源校耗表 44 表4.11 自動對焦系統在頻率500 MHz下各單元之執行時間(ms) 45 表4.12 自動對焦系統在3.4GHz環境下搜尋500點之執行時間(s) 52 表4.13 FFT單元在頻率500MHz下之功率消耗(W) 52   圖目錄 圖2.1全像圖之重建流程 16 圖2.1 NIOS系統架構圖 19 圖3.1 自動對焦系統架構圖 20 圖3.2 菲涅耳轉換硬體架構圖 22 圖3.3 前轉換單元電路架構圖 23 圖3.4 1D FFT模組之運作圖 25 圖3.5 2D FFT之列運算 25 圖3.6 FFT單元架構圖: (a) FFT列運算模式, (b) FFT行運算模式 26 圖3.7 後轉換單元電路架構圖 27 圖3.8 整體菲涅耳轉換運算 29 圖3.9 搜尋單元架構圖 30 圖3.10 表格建置模組架構圖 32 圖3.11 表格建置模組配合菲涅耳轉換之運作流程 33 圖3.12 評估單元架構圖 34 圖4.1 Altera Stratix IV EP4SGX230KF-40C2開發版外觀 36 圖4.2 Microlens自動對焦結果 46 圖4.3 Off-focus image (microlens) : (a)焦距5 mm, (b)焦距500 mm. 47 圖4.4 In-focus image (microlens) : (a) wrapped phase, (b) unwrapped phase. 48 圖4.5 Microlens array自動對焦結果 49 圖4.6 Off-focus image (microlens array) : (a)焦距5 mm, (b)焦距500 mm. 50 圖4.7 In-focus image (microlens array) : (a) wrapped phase, (b) unwrapped phase. 51

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