基于FPGA的实时边缘检测系统设计.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.2(下)-1-高 新 技 术边缘检测是机器视觉领域的一项基础技术,其主要目的是从图像中提取目标物体的轮廓和边缘信息。通过边缘检测,可以将图像分割为不同的区域,并对这些区域进行进一步分析、识别和跟踪1-2。随着实时图像处理技术的快速发展,图像处理算法复杂度不断提高,传统的软件平台逐渐无法满足需要实时性处理的场景要求。为克服该难题,许多学者尝试通过硬件来提高复杂算法的执行效率。其中 FPGA作为一种具有可编程性和并行处理能力的集成电路芯片,将图像处理算法运行在FPGA上可以大幅提高系统的运算速度和实时性,因此采用 FPGA 搭建的硬件平台在实时性图像处理的场景上逐渐
2、成为主流3。基于此,本文设计了一种基于FPGA 的实时图像边缘检测系统,该系统整合了图像数据采集、存储、算法处理和显示等多个功能,适用于广泛的嵌入式设计应用,具有一定的应用价值。1 Sobel 边缘检测Sobel 边缘检测是利用滤波器的应用来实现的一种图像处理技术。在图像中,物体的边缘通常表现为物体与背景或不同物体之间的差异,反映为像素值的变化差异。常见的边缘检测算法通过比较图像中每个像素点周围区域内的灰度值变化来标记数字图像中灰度变化明显的点。这些像素点保留了图像重要的结构信息,对边缘的一阶或二阶导数进行分析,可以有效地检测图像中的边缘特征4。1 幅图像可以看作 1 个图像函数 f(x,y)
3、,图像的一阶导数用梯度表示,梯度与像素点坐标(x,y)如公式(1)所示。?fggfxfyxy(1)式中:f 为图像函数的梯度;f 指出了图像 f(x,y)在点(x,y)处最大变化率的方向;gx为图像函数 f(x,y)在 x方向上的偏导数;gy为图像函数 f(x,y)在 y 方向上的偏导数。偏导数的常用计算方式是使用一些空域模板来计算梯度分量5。在一般情况下,奇数的模板更多,因为奇数模板考虑了中心点与其周围数据的关系,可以提供更多关于边缘方向的信息,所以可以更好地表达图像的边缘特征。最小的奇数模板是 33 的模板,索贝尔(Sobel)算子和 Prewitt算子都是实际应用中常见的算子,Sobel
4、 算子比 Prewitt 算子具有更好的抑制噪声性能,因此本文选用 Sobel 算子。33空间域和Sobel算子x和y方向的卷积因子如图1所示。33空间域与卷积因子进行矩阵乘积,计算过程如公式(2)所示。gfxZZZZZZgfyZZZZZyx?789123369142222Z Z7?(2)M x ymagfggxy,?22(3)式中:Z 为像素数据;在得到偏导数 gx、gy后通过 mag 函数可计算像素点的梯度 M(x,y),如公式(3)所示,将梯度大小 M(x,y)与所设阈值比较,大于阈值则表示该像素点为边缘,反之,则表示该像素点不是边缘。FPGA 具有并行处理数据的特点,其中,很多计算都是
5、同时进行,极大地节省图像数据处理时间,满足数据实时性处理的需求。图 1 33 空间域与 Sobel 卷积因子33 空间域Sobel算子gySobel算子gxZ1Z2Z3-1-1-1-1-2-2220000001111Z6Z5Z4Z7Z8Z92 系统架构本研究采用模块化的研究方法来设计实时边缘检测系统,该系统由多个模块组成,包括摄像头采集模块、FPGA 处理模块以及显示器输出模块等,这些模块共同完成了图像采集、DDR3 缓存数据、边缘检测算法处理和 HDMI 显示等功能。系统架构框图如图 2 所示。其中,系统的核心部分是基于 FPGA 的硬件编程。在系统架构中,摄像头配置模块通过SCCB 总线与
6、摄像头的寄存器进行通信和配置,以保证摄像头处于设定的工作模式,摄像头采集的数据经 DDR3 缓存后进行边缘检测,最后在 HDMI 显示屏上显示。本研究引入了锁相环分频模块来对 FPGA 的时钟进行分频操作,以提供稳定的时钟信号给其他各模块使用,有效地解决时钟频率不稳定或者不匹配的问题,从而保证整个系统的性能和可靠性。基于FPGA的实时边缘检测系统设计肖劲松(伊犁师范大学电子与信息工程学院,新疆 伊宁 835000)摘 要:边缘信息是数字图像的重要特征,用于描述图像中物体和背景之间的分界线。随着计算机视觉算法的复杂度不断提高,传统的软件平台逐渐无法满足实时性要求。为了解决该问题,本文提出了一种基
7、于现场可编程门阵列 FPGA 的实时边缘检测系统设计,利用 FPGA 可并行处理、运行速度快等优点,对 CMOS 摄像头实时采集的视频数据进行边缘检测。板级测试结果表明设计达到预期效果,具有一定实用价值。关键词:FPGA;边缘检测;实时性数据处理中图分类号:TN919文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.2(下)-2-高 新 技 术3 模块设计3.1 摄像头采集模块摄像头是图像采集模块的核心,设计系统需要基于 FPGA 实现图像的实时性处理,对采集速度的要求高于对画质采集质量的要求,因此,系统选用 500 W(25921944)像素高清摄像头模块,其 CMOS 图像传感器为 OV564
8、0。FPGA内部设有 OV5640 驱动模块,其内部例化了 3 个模块,分别是 IIC 驱动模块、OV5640 配置模块和 OV5640 数据接收模块。OV5640 摄像头通过 SCCB 通信协议对其内部寄存器进行配置,由于 SCCB 通信协议和 IIC 协议的单次写入时序基本相同,因此本设计中采用 IIC 对其寄存器进行配置。因此本设计中采用 IIC 对其寄存器进行配置。在 IIC 驱动模块中,通过计数器的方式生成 SCL 的四倍频率时钟 IIC_CLK,用该四倍频率时钟结合状态机的设计思路,可以更加方便地描述IIC 通信协议的时序要求。OV5640 配置模块采用 IIC_LCK时钟操作,按
9、照时序给出 IIC 驱动模块启动信号,同时给出需要配置的寄存器地址和需要配置的参数。初始化配置的目的是让摄像头在预设模式下工作,使其输出满足设计需求的图像数据格式和图像尺寸大小。本设计中摄像头输出的数据格式为 RGB565,而 OV5640 的数据线中只有高 8 位是有效的,因此需要 2 个像素时钟才能得到 1 个完整的像素数据。OV5640 数据接收模块采用像素时钟接收像素数据,然后通过移位寄存,将 2 个从摄像头接收过来的 8 位数据拼成 1 个完成的 16 位 RGB565 像素数据。从第一个数据进来,到拼接完成送出去,共经历 2 个时钟周期。因此,在 OV5640 数据接收模块中,还需
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