專利名稱：一種基于fpga控制核心的圖像采集及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像采集及處理領(lǐng)域，具體涉及ー種基于FPGA為控制核心的圖像采集及Canny邊緣檢測處理方法，能夠方便的對目標(biāo)物體實時采集、實時邊緣檢測處理。
背景技術(shù)：
圖像采集及處理系統(tǒng)是指用設(shè)備來捕獲客觀世界的圖像和特征，并對所捕獲的圖像按照需要進(jìn)行實時處理，也就是用設(shè)備來實現(xiàn)對客觀世界的識別。隨著圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展，圖像采集及處理系統(tǒng)在很多領(lǐng)域內(nèi)的很多應(yīng)用中起著越來越重要的作用，例如，遠(yuǎn)程監(jiān)控、エ業(yè)控制、醫(yī)療器械、圖像模式識別等領(lǐng)域。圖像采集處理系統(tǒng)大部分均采用實時圖像采集技木，實時圖像采集在現(xiàn)代社會中占有非常重要的地位。日常生活中所見到的數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多媒體IP電話和電話會議等產(chǎn)品中，實時圖像采集是最核心的技木。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的整體效果。眾所周知，圖像數(shù)字化后數(shù)據(jù)量非常龐大，對如此大量高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理是計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中技術(shù)難度最大的部分。傳統(tǒng)的圖像采集及處理系統(tǒng)是應(yīng)用攝像頭采集圖像，然后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)之后應(yīng)用計算機(jī)軟件進(jìn)行處理，由于計算機(jī)體積龐大，連接復(fù)雜，尤其是在エ業(yè)現(xiàn)場等空間狹小場合應(yīng)用時猶為不方便，這種圖像采集處理方案在應(yīng)用時有不可避免的缺點。隨著電子技術(shù)發(fā)展的日新月異，電子產(chǎn)品朝著小型化、集成化發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場合都要求圖像處理設(shè)備體積要小，應(yīng)用要方便。這就對圖像采集處理系統(tǒng)的開發(fā)提出了更高的要求。隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路系統(tǒng)集成度和運算能力越來越高，使得圖像采集和處理設(shè)備小型化、實用化成為可能。現(xiàn)在主流的小型圖像采集和處理設(shè)備是以數(shù)字信號處理器(DSP)為控制核心。雖然DSP能夠快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，但本質(zhì)上來說，DSP并沒有擺脫傳統(tǒng)的CPU順序執(zhí)行指令的工作模式，而且只是對某些固定的運算提供硬件優(yōu)化，而這些具有針對性的優(yōu)化并不能滿足眾多圖像處理算法的需求，這使得DSP在圖像處理領(lǐng)域的使用受到的了制約?？删幊唐舷到y(tǒng)(SOPC, System on Programmable Chip)技術(shù)的出現(xiàn)使得高效的實現(xiàn)實時圖像采集處理成為可能，SOPC技術(shù)是ー種基于現(xiàn)場可編程門陣列的嵌入式技木?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA, Field Programmable Gate Array)器件是當(dāng)今應(yīng)用極為廣泛的可編程器件，應(yīng)用FPGA時，用戶可以用硬件描述語言方便地設(shè)計出所需的硬件邏輯，并且可以進(jìn)行重復(fù)編程和動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)，因此，可以進(jìn)行靈活方便的開發(fā)和更新。FPGA能實現(xiàn)硬件并行和流水線技術(shù)。在FPGA中嵌入IP軟核可以構(gòu)成SOPC系統(tǒng)。SOPC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行和串行同時處理，因此，在系統(tǒng)在較低的主頻下也能獲得較高的算法處理速度。作為實時圖像采集和處理的一種新的解決方案，SOPC技術(shù)能夠滿足圖像采集處理設(shè)備小型化、高效性的需求，可以說，SOPC技術(shù)必將成為未來嵌入式圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展方向。邊緣是重要的圖像特征，包含著大量的圖像信息，是對圖像中目標(biāo)提取的重要依據(jù)。本質(zhì)上來說，邊緣是圖像局部特性不連續(xù)性的反映，比如灰度突變或顏色突變等。邊緣往往包含著我們在圖像處理時所感興趣目標(biāo)的重要特征，為我們描述或識別目標(biāo)提供了重要的依據(jù)。因此，對目標(biāo)物體進(jìn)行邊緣檢測具有十分重要的意義。經(jīng)典的圖像邊緣檢測算法大多是利用圖像邊緣的突變特性來檢測邊緣。傳統(tǒng)邊緣檢測算法一般是在空間域?qū)D像進(jìn)行運算，即直接對圖像像素進(jìn)行相關(guān)操作。傳統(tǒng)的圖像邊緣檢測算法主要包括兩種類型一種是以一階導(dǎo)數(shù)或ニ階導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)的微分算子，常用的微分算子有Roberts算子，Sobel算子，Prewitt算子，LOG算子等；另外ー種是1986年John Canny提出的Canny邊緣檢測算法。Canny算法是ー個非常經(jīng)典的算法,其在圖像去噪和邊緣細(xì)節(jié)的保留上取得了較好的平衡，因此，Canny算法具有較好的信噪比和檢測精度，能夠檢測出較細(xì)的邊緣。Canny邊緣檢測算子在圖像處理領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。Canny邊緣檢測主要包含以下幾個步驟(I)高斯濾波器平滑圖像。Canny算子首先采用ニ維高斯函數(shù)對圖像進(jìn)行平滑。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA為控制核心的圖像及采集處理方法，該方法主要是在FPGA芯片上構(gòu)建實現(xiàn)圖像采集和Canny邊緣檢測處理的SOPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Nios II軟核處理器模塊、CMOS圖像傳感控制器模塊、FIFO控制器模塊、SDRAM控制器模塊、Canny邊緣檢測算法模塊、VGA控制器模塊。圖像采集及Canny邊緣檢測處理系統(tǒng)實現(xiàn)包括四個步驟(I)圖像采集并緩存至FIFO ； (2)通過Nios II處理器軟件控制將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)傳送到片外SDRAM芯片進(jìn)行存儲；(3)將SDRAM存儲器中的圖像通過Canny邊緣檢測算法IP核進(jìn)行處理，處理過程實現(xiàn)“乒乓操作”，處理后的圖像再次存儲到SDRAM ； (4)將獲得的存儲于SDRAM中的邊緣圖像通過VGA接口將處理后的圖像進(jìn)行顯示。本發(fā)明特征在于(1)構(gòu)建SOPC系統(tǒng)實現(xiàn)圖像采集及Canny邊緣檢測處理，并將處理結(jié)果在顯示器上顯示。(2)將Canny邊緣檢測算法用硬件描述語言設(shè)計成IP核嵌入到SOPC系統(tǒng)，利用硬件描述語言并行執(zhí)行指令的優(yōu)勢，在FPGA上實現(xiàn)Canny邊緣檢測算法的并行計算，從根本上提高了算法的執(zhí)行速度，達(dá)到“實時采集、實時處理”的效果；(3)Canny算法邊緣檢測后的圖像通過VGA接口進(jìn)行顯示，能夠?qū)崟r對處理效果進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控效果可以作為算法優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步實現(xiàn)算法優(yōu)化做鋪墊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA為控制核心的圖像采集及處理方法，其特征在于在SOPC系統(tǒng)上實現(xiàn)Canny邊緣檢測算子，Canny算子是一個非常經(jīng)典的邊緣檢測算法，具有較好的信噪比和檢測精度，能夠檢測出較細(xì)的邊緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA為控制核心的圖像采集及處理方法，其特征在于將Canny邊緣檢測算子設(shè)計成IP軟核，其信號接口符合Avalon總線規(guī)范。
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像采集處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA為控制核心的圖像采集及處理方法。該方法主要是構(gòu)建圖像采集和處理SOPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Nios II軟核處理器模塊、CMOS圖像傳感控制器模塊、FIFO控制器模塊、SDRAM控制器模塊、Canny邊緣檢測算法模塊、VGA控制器模塊。首先圖像采集完成后緩存至FIFO，然后通過FPGA軟件控制將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)傳送到片外SDRAM芯片進(jìn)行存儲，再次將存儲器中的圖像圖像處理算法進(jìn)行處理，處理過程實現(xiàn)“乒乓操作”，處理后的圖像再次存儲到SDRAM。最后將獲得的邊緣圖像通過VGA接口將處理后的圖像進(jìn)行顯示。
文檔編號G06T7/00GK102663758SQ20121011875
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者劉嘉, 盧振洋, 路文超, 陳雨 申請人:北京工業(yè)大學(xué)