基于FPGA的计算全息算法实现与优化

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【摘要】为了提高计算全息的计算速度，提出了一种基于菲涅尔计算全息算法和fpga硬件描述语言的计算全息图的快速算法――“循环迭代算法”。先简要介绍计算全息的基本算法，重点介绍采用并行处理方式的速度优化方案。最后在不影响计算全息处理速度的前提下，提出计算全息设计VHDL优化编程方案。实验结果表明用FPGA技术实现分辨率为50×50的全息图是传统MATLAB实现的165倍。

【关键词】FPGA；计算全息；循环迭代算法；优化

1.引言

计算全息是建立在计算机科学与光学结合的全息图制作的一种新技术，具有最终实现3D电视的潜能，与光学全息相比，计算全息具有灵活方便、高重复性、适用范围广对环境要求低等优点[1]，已发展成为一项非常热门的技术。但是全息术系统很难发展到实际使用中，故面临着一个大的挑战，因为全息术需要一种高性能的且能为它实时重现的计算能力。为此我们利用FPGA技术的并行处理特性和基于菲涅尔计算全息图[2-3]，提出了一种基于FPGA技术的计算全息实现方法，在计算速度方面我们得到了很大的改善。另外为了降低系统成本，降低器件功耗，为以后的技术升级留下更多的可编程资源，我们对此算法进行有关VHDL 编码方面的面积优化，提高资源利用率。

一般而言，在基于FPGA数字系统设计时，优化问题主要包括面积优化和速度优化。面积优化是指FPGA的资源的利用率优化；速度优化是指设计对象满足一定的速度要求。面积优化和速度优化通常又是一对矛盾，一般情况下，速度指标是首要的，在满足速度要求的前提下，尽可能实现面积优化面积。

3.硬件结构

根据目前视频处理的性能特点，我们的系统设计采用FPGA+ARM架构的方式，不但具备Altera Cyclone2 FPGA强大的视频处理能力，而且增加了一颗ST公司ARM CORTEX-M3内核CPU――STM32F101R8T6，并且外挂了一颗16Mb大容量串行Flash，可以向FPGA写入OSD和图片等内容，进一步增加了我们系统的硬件能力，帮助我们更好进一步对计算全息的研究。系统的硬件结构如图4所示。

5.结果分析

6.结论

本文主要针对计算全息图在FPGA上实现提出了两种优化方案。其一是速度优化，提出了一种并行处理或流水线处理方案，这是一种基于FPGA的计算全息图生成方法，通过分析菲涅尔全息图数学模型，运用迭代的方法简化计算过程，极大地减少了计算量，并通过FPGA的并行处理特性，提出先计算全息面上每行第一个点的光强值，其余位置的计算通过简单的乘法、加法运算叠加来得到其光强，进一步加快了计算速度，有效缩短全息图的计算时间，并由所生成的全息图再现出原始图像，验证了该方法的可行性。由试验结果可以看出，采用基于FPGA并行处理的方法实现计算全息图，可以大大提高全息图的运算速度，而且制作过程相对比较简单，为计算全息图的实时显示进行了有益的探索，该方法具有很好的应用前景，为下一步实现三维立体图的实时计算全息图研究奠定了良好的技术基础。另一种是面积优化，我们利用VHDL编程的一些技巧，在不影响计算全息处理速度的前提下，来减少硬件资源的利用，降低成本。

参考文献

[1]虞祖良，金国藩.计算机制全息图 [M].北京：清华大学出版社，1984，12-22.

[2]David Abookasis，Joseph Rosen.Three types of computer-generated hologram synthesized from multiple angular viewpoints of a three-dimensional scene[J].Applied Optics，2006，45（25）：6533-6538.

[3]Nobukazu YOSHIKAWA，Toyohiko YATAGAI.Interpolation Method for Computer-G enerated Holograms Using Random Phase Technique[J].Optical Review，1999，6（5）：433-438.

[4]T.Ito，N.Masuda，K.Yoshimura，A.Shiraki，T.Shimobaba，T.Sugie.Special-purpose computer HORN-5 for a real-time electroholography[J].Opt.Express，2005，13（6）：1923-1932.

[5]Shi Y，Wang H，Li Y，Jin H，Ma L.Practical method for color computer-generated rainbow holograms of real-existing objects[J].Applied Optics，2009，48（21）4219-4226.

[6]潘松，黄继业.EDA 技术与VHDL（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2002，70-72.

[7]狄国伟，王福源.VHDL语言电路优化设计的方法浅析[J].自动化与仪器仪表，2006（1）：69-71.

注：本课题来源于2011年上海市大学生创新活动计划项目“计算全息实时显示关键技术研究”（项目编号：SH1110252049）。

作者简介：苏凯（1990―），四川人，大学本科，现就读于上海理工大学电子科学与技术专业。