一種基于fpga的二值圖像連通區(qū)域信息快速獲取系統(tǒng)及方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了一種用于圖像識別和目標(biāo)信息提取的方法，具體涉及一種基于FPGA的二值圖像連通區(qū)域信息的快速獲取系統(tǒng)及方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]二值圖像(binary image)是指每個像素由“O”或“I”來表示的圖像。連通區(qū)域標(biāo)記算法要求將二值圖像中屬于同一連通區(qū)域的所有像素使用唯一的標(biāo)號進(jìn)行標(biāo)記，同時統(tǒng)計連通區(qū)域面積和外接矩形等信息。該過程是計算機視覺、模式識別和圖像跟蹤中一個非常重要的基礎(chǔ)操作，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]連通區(qū)域標(biāo)記分為基于4鄰域和8鄰域的兩種統(tǒng)計結(jié)果，4鄰域是指目標(biāo)像素和上下左右四個像素組成的圖像區(qū)域，8鄰域是指中心像素和周圍8個像素組成的區(qū)域。
[0004]傳統(tǒng)的連通區(qū)域標(biāo)記方法有:
[0005]1.基于合并查找表的連通區(qū)域標(biāo)記算法，以像素或游程為單位，對圖像進(jìn)行掃描，建立等價關(guān)系表并確定合并關(guān)系，然后依據(jù)合并之后的等價關(guān)系表對圖像進(jìn)行第二次掃描，獲取圖像的連通區(qū)域信息。主要不足是:合并查找表需要占用較大儲存空間，合并算法復(fù)雜，各個步驟之間多為串行操作，需要進(jìn)行至少兩次掃描，耗費時間長，不能做到實時處理。
[0006]2.基于區(qū)域生長的連通區(qū)域標(biāo)記算法，以像素或游程為單對圖像進(jìn)行迭代掃描，判斷像素、游程與周圍像素或游程之間的連通關(guān)系，此重復(fù)直到遍歷整幅圖像，完成連通區(qū)域標(biāo)記。主要不足是:算法復(fù)雜度高，需要外部存儲器存儲整幅圖像，需要對圖像在多個方向上迭代掃描，不能滿足高實時性處理系統(tǒng)的需求。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]基于現(xiàn)有連通區(qū)域標(biāo)記方法的缺點和不足，本發(fā)明使用FPGA處理，不需要外部存儲器，F(xiàn)PGA可直接接收并處理來自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，在圖像輸入過程中實時處理圖像信息，圖像輸入完成即可得到圖像的連通區(qū)域信息，適用于目標(biāo)快速提取、實時跟蹤系統(tǒng)。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)存在的效率低、不適合并行化、不能對大分辨率圖像實時處理的不足。
[0008]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種基于FPGA的二值圖像連通區(qū)域信息快速獲取系統(tǒng)，包括用于檢測游程信息的游程檢測模塊、用于對游程信息進(jìn)行處理的游程合并模塊，以及信息存儲模塊，其中，所述信息存儲模塊包括游程信息存儲模塊RUN_RAM1、游程信息存儲模塊RUN_RAM2、游程查找表存儲模塊L00KUP_RAM1、游程查找表存儲模塊L00KUP_RAM2，以及連通區(qū)域信息存儲模塊C0NNECTED_D0MAIN_RAMo
[0010]優(yōu)選地，所述游程合并模塊包括有多個像素同步時鐘，像素同步時鐘分為:CLK1、CLK2、CLK3;在所述CLKI時鐘，依據(jù)當(dāng)前行游程和上一行的游程查找表的對應(yīng)關(guān)系確定當(dāng)前行下一個游程和游程查找表的地址，然后由CLK3獲取的游程查找表中需要合并的連通區(qū)域地址，在CLKl中得到需要合并的連通區(qū)域信息，最后把游程信息合并到對應(yīng)的連通區(qū)域信息中，確定當(dāng)前合并的游程對應(yīng)的游程查找表信息;在所述CLK2時鐘，下一個需要處理的游程和游程查找表地址有效，將游程查找表的信息寫入對應(yīng)的存儲模塊中；在所述CLK3時鐘，下一個需要處理的游程信息和游程查找表的信息有效，讀取該游程信息和游程查找表的信息。
[0011]一種基于FPGA的二值圖像連通區(qū)域信息快速獲取系統(tǒng)的獲取方法，包括以下步驟:
[0012](I)采集圖像數(shù)據(jù)作為輸入信號；
[0013](2)第一個行有效期間:檢測第一行圖像的游程信息，把游程信息存入片內(nèi)存儲模塊；
[0014](3)第二個行有效期間:檢測第二行圖像的游程信息，將信息存入片內(nèi)存儲模塊；把第一行游程信息轉(zhuǎn)化為連通區(qū)域信息寫入對應(yīng)的連通區(qū)域信息存儲模塊;建立第一行的游程查找表，游程查找表記錄游程信息以及游程和連通區(qū)域的合并關(guān)系；
[0015](4)第三個行有效期間:檢測第三行的游程信息，將信息存儲到第一行游程信息的存儲位置，覆蓋第一行的游程信息;利用第一行的游程查找表，根據(jù)上一行游程信息和當(dāng)前游程信息的地址關(guān)系，把第二行的游程信息合并到對應(yīng)的連通區(qū)域存儲模塊，或者建立新的連通區(qū)域和游程查找表;建立第二行游程查找表；
[0016](5)從第四行圖像開始，以后每一行的操作與第三行的操作相同，直到整幅圖像處理完成。
[0017]優(yōu)選地，步驟(2)中，檢測游程信息的方法是:根據(jù)每行輸入像素的像素值和像素坐標(biāo)，確定游程的起始坐標(biāo)、終止坐標(biāo)、面積、X方向坐標(biāo)的累加和、Y方向的像素坐標(biāo)，存入游程信息存儲RAM中。
[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中，游程信息存儲采用乒乓操作，奇數(shù)行的游程信息寫入游程存儲RAMl，偶數(shù)行的游程信息寫入游程存儲RAM2。
[0019]優(yōu)選地，游程合并采用乒乓操作:游程檢測模塊寫入游程存儲RAMl時，游程合并模塊處理RAM2中的游程信息，建立RAM2中的游程查找表;游程檢測模塊寫入游程存儲RAM2時，游程合并模塊處理RAMl的信息，建立RAMl中的游程查找表。
[0020]優(yōu)選地，合并游程的方法為:
[0021 ] a)每一行游程合并開始時，游程查找表存儲模塊和游程存儲模塊的初始地址為O，獲取游程信息和游程查找表信息；
[0022]b)CLKl:依據(jù)當(dāng)前行游程和上一行的游程查找表的對應(yīng)關(guān)系確定當(dāng)前行下一個游程和游程查找表的地址，使用非阻塞賦值把游程地址或游程查找表地址加I ；由CLK3獲取的游程查找表中需要合并的連通區(qū)域地址，在CLKl中可以得到需要合并的連通區(qū)域信息，把游程信息合并到對應(yīng)的連通區(qū)域信息中；確定當(dāng)前合并的游程對應(yīng)的游程查找表信息；
[0023]c)CLK2:下一個需要處理的游程和游程查找表地址有效;把游程查找表的信息寫入對應(yīng)的存儲RAM中；
[0024]d)CLK3:下一個需要處理的游程信息和游程查找表信息有效，等待轉(zhuǎn)入CLKl進(jìn)行處理;下一個需要合并的連通區(qū)域地址有效，等待讀出需要合并的連通區(qū)域信息，在CLKl處理。
[0025]優(yōu)選地，正常狀態(tài)下，每個游程合并需要3個CLK，遇到游程合并的目標(biāo)連通區(qū)域在前面的操作中已近被合并，增加一個或多個CLK尋址到新的目標(biāo)連通區(qū)域;連通區(qū)域信息存儲在片內(nèi)存儲模塊中，每次合并時依據(jù)CLK3確定的目標(biāo)連通區(qū)域的地址，在CLKl把連通區(qū)域信息讀出，依據(jù)游程和游程查找表的對應(yīng)關(guān)系，把游程信息合并到目標(biāo)連通區(qū)域，更新目標(biāo)連通區(qū)域信息，在CLK2寫回到連通區(qū)域存儲RAM中。
[0026]優(yōu)選地，游程合并結(jié)束時，采用以下方法:
[0027]第一種情況:游程和游程查找表同時處理完畢，將最后一個游程信息并入對應(yīng)的連通區(qū)域；
[0028]第二種情況:游程查找表處理完畢，游程未處理完，此時，與游程查找表有連通關(guān)系的最后一個游程信息入對應(yīng)的連通區(qū)域中，剩余的每一個游程分配一個新的連通區(qū)域；
[0029]第三種情況:游程處理完畢，游程查找表未處理完，此時，與游程查找表有連通關(guān)系的最后一個游程信息并入對應(yīng)的連通區(qū)域中，然后判斷剩余游程查找表對應(yīng)的連通區(qū)域面積是否符合面積約束條件，把不符合面積約束條件的連通區(qū)域從連通區(qū)域存儲模塊中剔除，釋放存儲空間。
[0030]優(yōu)選地，在連通區(qū)域合并時，使用如下兩種方法壓縮存儲空間:
[0031]a)碰到兩個或多個連通區(qū)域合并的情況，把被合并的連通區(qū)域信息合并到目標(biāo)連通區(qū)域信息中，同時把被合并的連通區(qū)域信息所占用的存儲空間釋放，供新的連通區(qū)域信息使用；
[0032]b)依據(jù)需要找目標(biāo)的面積范圍設(shè)定面積約束條件，當(dāng)某個連通區(qū)域合并完成后，依據(jù)其面積信息可以確定是否需要保留，把不需要保留的連通區(qū)