0 引言

　　邊緣檢測(cè)是圖像處理、圖像分析、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及人類(lèi)視覺(jué)的基本步驟之一，目的是為了發(fā)現(xiàn)圖像中關(guān)于形狀和反射或透射比的信息，目前已廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。在實(shí)時(shí)圖像處理中，由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，單純依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求，所以目前較多采用FPGA或DSP等硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)處理。然而由于DSP只是對(duì)某些固定的運(yùn)算提供硬件優(yōu)化，其體系仍是串行指令執(zhí)行系統(tǒng)，這些都使它在運(yùn)行速度、吞吐量方面頗受約束，且不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。而FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力和豐富的邏輯資源，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件并行和流水線(xiàn)技術(shù)，在圖像處理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以越來(lái)越受到人們的青睞。

　　本文采用FPGA作為控制處理器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)圖像邊沿檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有處理速率快，穩(wěn)定性強(qiáng)且易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，為更深層次的圖像處理提供了便利。

1 實(shí)時(shí)圖像邊沿檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案

　　基于FPGA的實(shí)時(shí)圖像邊沿檢測(cè)系統(tǒng)主要由圖像數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)灰度化模塊、SDRAM模塊、Sobel邊沿檢測(cè)模塊和VGA模塊五部分組成，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。圖像采集模塊實(shí)現(xiàn)初始化相機(jī)并接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的功能；數(shù)據(jù)灰度化模塊能夠把采集到的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；SDRAM模塊控制對(duì)圖像數(shù)據(jù)的緩存；Sobel模塊實(shí)現(xiàn)像素梯度值的計(jì)算確定圖像邊沿并最終通過(guò)VGA模塊進(jìn)行顯示。

2 實(shí)時(shí)邊沿檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　圖像采集模塊是系統(tǒng)的前端，包括相機(jī)配置模塊和數(shù)據(jù)捕捉模塊。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)配置模塊通過(guò)SCCB(IIC)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的配置。配置采用三相寫(xiě)數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)：首先寫(xiě)入CMOS傳感器的物理地址，然后寫(xiě)入需要配置的寄存器地址，最后再寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可完成該寄存器的配置。根據(jù)以上方法，依次對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置，CMOS傳感器就可以正常地采集圖像并通過(guò)相機(jī)接口傳回到FPGA的圖像捕獲模塊中。圖像捕獲模塊根據(jù)像素時(shí)鐘同步信號(hào)，確定哪些時(shí)段中數(shù)據(jù)有效，產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL，并把圖像數(shù)據(jù)傳到下一模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　2.1 圖像灰度化處理

　　由于相機(jī)采集到圖像為RGB模式的彩色圖像，而邊沿檢測(cè)系統(tǒng)是檢測(cè)圖像中灰度變化劇烈的像素點(diǎn)，所以有必要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理。圖像灰度化處理不僅能夠減少圖像處理的運(yùn)算量，而且不會(huì)影響邊沿檢測(cè)的效果。常用的灰度化方式有加權(quán)平均法、平均值法和最大值法。系統(tǒng)采用加權(quán)平均法對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，該方法從人體生理學(xué)角度出發(fā)，對(duì)RGB三分量進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到較為合理的灰度圖像。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示：

　　Gary=0.299R+0.587G+0.114B(1)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于浮點(diǎn)型運(yùn)算實(shí)現(xiàn)較為困難，所以需要進(jìn)行整數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用7位精度的轉(zhuǎn)換公式對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，其轉(zhuǎn)換精度與8位的轉(zhuǎn)換公式相同，但轉(zhuǎn)換速度更快。具體的實(shí)現(xiàn)公式如式(2)所示：

　　Gary=(38R+75G+15B)>>7(2)

　　圖像灰度化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程采用QuartusII中的乘加器實(shí)現(xiàn)，頂層文件如下所示：

　　MAC_3 q0(.dataa_0(ired),

　　.dataa_1(igreen),

　　.dataa_2(iblue),

　　.datab_0(7’d38),

　　.datab_1(7’d75),

　　.datab_2(7’d15),

　　.result(wMono),

　　.clock0(iclk));

　　其中：dataa_0~2分別代表一個(gè)像素點(diǎn)的RGB分量，datab為以7為精度的加權(quán)系數(shù)，result右移7位即為輸出的像素灰度值。

　　2.2 圖像緩沖模塊設(shè)計(jì)

　　在圖像處理系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)的輸入速度與系統(tǒng)的處理速度往往不匹配，需要一個(gè)大容量存儲(chǔ)器作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者常常采用SRAM或SDRAM對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。然而由于SRAM的容量與價(jià)格的限制，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，本系統(tǒng)采用SDRAM芯片MT48LC8M32作為系統(tǒng)的緩存模塊。該芯片單片容量為256 MB，配置為2 M×32×4bank，刷新計(jì)數(shù)為4 K。接口連接情況如圖2所示。

　　SDRAM控制器包括緩沖模塊和SDRAM控制模塊。緩沖模塊采用2個(gè)異步FIFO（Wr_FIFO和Rd_FIFO）作為圖像數(shù)據(jù)的輸入輸出緩存，實(shí)現(xiàn)了從低頻數(shù)據(jù)輸入到高頻數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM，以及高頻數(shù)據(jù)讀取到低頻數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換。雖然SDRAM在同一時(shí)間段只能進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎到y(tǒng)采用的SDRAM控制模塊的工作時(shí)鐘為108 MHz，高于數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)鐘的2倍，所以從外部看，SDRAM能夠支持同時(shí)讀寫(xiě)操作。FIFO控制模塊主要包括以下內(nèi)容：(1)當(dāng)有外部圖像數(shù)據(jù)輸入請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入Wr_FIFO中。(2)當(dāng)有外部圖像數(shù)據(jù)輸出請(qǐng)求時(shí)，輸出Rd_FIFO中的數(shù)據(jù)。(3)當(dāng)Wr_FIFO中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于256時(shí)，請(qǐng)求寫(xiě)入SDRAM，響應(yīng)后開(kāi)始突發(fā)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。(4)當(dāng)Rd_FIFO中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于256時(shí)，請(qǐng)求讀取SDRAM，響應(yīng)后開(kāi)始突發(fā)讀取SDRAM數(shù)據(jù)。

 　　SDRAM控制模塊包含control_interface、command、sdr_data_path 三個(gè)功能子模塊。Command命令接口模塊與頂層進(jìn)行信息交互，并對(duì)接收的信息進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生讀、寫(xiě)、預(yù)充電等命令與訪(fǎng)問(wèn)地址等信息；control_interface控制接口模塊根據(jù)command的命令與參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的控制；sdr_data_path數(shù)據(jù)位寬控制模塊根據(jù)外部DQM信號(hào)選擇數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的寬度。系統(tǒng)采用SignalTapII對(duì)SDRAM控制器進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3為SignalTapII采集到的數(shù)據(jù)波形圖，結(jié)果符合預(yù)期要求。

　　2.3 Sobel邊沿檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

　　Sobel邊沿檢測(cè)算法是一種基于梯度的圖像邊沿檢測(cè)的方式，該算法容易在硬件上實(shí)現(xiàn)，且能夠平滑一定的噪聲，邊沿檢測(cè)效果較好。Sobel 算子的邊緣檢測(cè)是在圖像空間內(nèi)利用 2 個(gè)方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積來(lái)完成的。這兩個(gè)方向模板，一個(gè)檢測(cè)水平邊緣，另一個(gè)檢測(cè)垂直邊緣。它們的方向梯度算子模板如下:

　　水平方向梯度模板  垂直方向梯度模板

　　以模板內(nèi)的數(shù)字為權(quán)重系數(shù)，與圖像平面對(duì)應(yīng)的像素值相乘可以求出水平梯度PX與垂直梯度PY。然后根據(jù)梯度計(jì)算公式， 求出梯度值|G|，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較從而確定圖像的邊沿。

　　根據(jù)以上分析，系統(tǒng)利用QUARTUS中的IP核模塊并結(jié)合硬件語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了Sobel邊沿檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示，其中乘加器是計(jì)算像素梯度值的主要模塊。一個(gè)乘加器中包括3個(gè)乘法運(yùn)算模塊和1個(gè)加法運(yùn)算模塊，分布情況如圖5所示，其中dataa為輸入的行像素，datab為方向模板的權(quán)重系數(shù)。一個(gè)乘法器模塊可以實(shí)現(xiàn)一行像素與其對(duì)應(yīng)的模板系數(shù)的卷積運(yùn)算。邊沿檢測(cè)模塊需要6個(gè)乘加器來(lái)實(shí)現(xiàn)X方向和Y方向的梯度值運(yùn)算。開(kāi)方模塊結(jié)合X方向與Y方向的梯度，確定該點(diǎn)的像素梯度值。然后再將得到的梯度值與閾值進(jìn)行比較，從而確定圖像的邊沿。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，采用SignalTapII對(duì)邊沿檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖6所示。其中邊沿檢測(cè)模塊選取的閾值為0X5B，sqrt0|q為Sobel邊沿檢測(cè)模塊得到的像素梯度值。如果梯度值大于閾值，則oDATA輸出0X00h，反之則輸出0XFFh。仿真結(jié)果與實(shí)際相同。系統(tǒng)采用VGA顯示器作為圖像顯示的終端，通過(guò)設(shè)計(jì)VGA控制器，邊沿檢測(cè)的結(jié)果以640*480@60Hz的格式進(jìn)行顯示，得到如圖7所示結(jié)果。通過(guò)對(duì)比圖7中的兩幅圖可以看出，該系統(tǒng)的檢測(cè)效果較好，能夠有效地識(shí)別圖像的邊沿。

4 結(jié)論

　　本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)圖像邊沿檢測(cè)系統(tǒng)，搭建了以FPGA和SDRAM為核心的硬件平臺(tái)，并通過(guò)硬件語(yǔ)言編程與調(diào)用可編程宏模塊在硬件上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)圖像的邊沿檢測(cè)功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)效果較好，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的需求，可以作為后續(xù)圖像處理，如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤等研究的重要支撐。

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