[發(fā)明專利]基于FPGA的單像素邊緣檢測方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010607334.7
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102044071A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭方新;陸小鋒;陸亨立;楊靜;牛娜;范天翔;沈蘇旻
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學;上海磐宏電子科技有限公司
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T7/00
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于FPGA的單像素邊緣檢測方法，具體地說，涉及一種利用FPGA實現(xiàn)圖像的邊緣提取，并對邊緣進行細化，得到單像素精度的圖像邊緣。屬于電子信息領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來計算機視覺技術(shù)迅猛發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用，計算機視覺處理主要包括區(qū)域分割，圖像增強，邊緣檢測，視頻編碼，3D技術(shù)等等。邊緣檢測技術(shù)是其中相對成熟且應(yīng)用廣泛的視覺處理技術(shù)。目前，計算機視覺處理技術(shù)主要是基于PC機操作的，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式的機器視覺技術(shù)逐步發(fā)展起來，在科研、工業(yè)控制、航天事業(yè)等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)相關(guān)檢索調(diào)研，傳統(tǒng)邊緣檢測技術(shù)是基于PC機上的，雖然檢測的邊緣效果好，但PC機操作不可避免地存在著諸如成本高，體積大，穩(wěn)定性差等缺陷。目前，嵌入式的視頻邊緣檢測技術(shù)多用DSP芯片操作，為串行處理，對于邊緣提取效果要求較高的操作，DSP處理復雜，延時時間長。另一方面，上世紀90年代出現(xiàn)的現(xiàn)場可編程器件（FPGA），設(shè)計方便靈活，并行處理結(jié)構(gòu)可大幅度縮短處理時間，滿足諸多場合的實時性要求，且開發(fā)周期短，更可根據(jù)需要定制IP核，易于擴展、升級。隨著FPGA性能的不斷提升，基于FPGA設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，特別是在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，借助于基于邏輯和并行處理的優(yōu)勢，相對其他處理器系統(tǒng)，F(xiàn)PGA的應(yīng)用在市場上遙遙領(lǐng)先，在未來嵌入式機器視覺中應(yīng)用潛力巨大。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于FPGA的單像素邊緣檢測方法。以FPGA為基礎(chǔ)，將輸入的視頻信號逐幀進行邊緣提取并細化，每幀圖像得到單像素的邊緣。將機器視覺技術(shù)與FPGA處理技術(shù)結(jié)合，既可以很好滿足單像素邊緣提取的實時性，又可以利用FPGA的IP核定制功能，滿足更多具體需求，特別是工業(yè)控制中的機器視覺輔助計算方面的應(yīng)用。FPGA與機器視覺的結(jié)合提高了系統(tǒng)設(shè)計的性價比，同時，隨著FPGA性能的不斷提高，處理速度越來越快，內(nèi)部集成的功能模塊越來越多，檢測方法的性能會越好。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于FPGA的單像素邊緣檢測方法由RGB視頻空間轉(zhuǎn)換程序，圖像預(yù)處理程序，Canny邊緣檢測算法程序，形態(tài)學腐蝕及單像素輪廓提取程序等組成。檢測方法操作步驟可概括為：FPGA從外部得到RGB空間的視頻信號，包括視頻數(shù)據(jù)以及行、場、像素等時鐘同步信號；視頻數(shù)據(jù)直接被送往RGB空間轉(zhuǎn)換程序，轉(zhuǎn)換為灰度空間圖像；灰度圖像與時鐘同步信號進一步連接到圖像預(yù)處理程序，濾除圖像噪聲并增強圖像邊緣等；經(jīng)過濾波后的圖像數(shù)據(jù)在時鐘同步信號的控制下進行Canny邊緣檢測，獲得相對精細的視頻圖像邊緣；最后將Canny檢測到的邊緣圖像在時鐘同步信號的控制下進行形態(tài)學腐蝕運算，并根據(jù)視頻內(nèi)容進行適當?shù)倪吘壖毣僮鳎罱K提取出單像素的邊緣。

上述RGB視頻空間轉(zhuǎn)換程序包括彩色圖像到灰度圖像的轉(zhuǎn)換以及灰度圖像亮度的調(diào)整。彩色視頻存在多種色彩空間，但對視頻處理過程中采用RGB視頻數(shù)據(jù)處理最為方便，而且各種色彩空間準可轉(zhuǎn)換為RGB數(shù)據(jù)。在此要提取視頻的邊緣圖像，需將彩色空間轉(zhuǎn)換到灰度空間，這樣即將三路數(shù)據(jù)處理過程轉(zhuǎn)換為一路數(shù)據(jù)處理。視頻圖像的邊緣有一定寬度，為得到盡可能細小的邊緣，可預(yù)先對得到的灰度圖像進行亮度調(diào)整，消除一些亮度偏低的像素點，使邊緣盡可能保留同時又盡可能細小，方便后續(xù)細小邊緣的提取。得到的盡可能理想的灰度視頻信號繼而被送往圖像預(yù)處理程序處理。

上述圖像預(yù)處理程序由快速中值濾波與圖像邊緣增強兩部分組成，由于視頻信號無可避免地存在噪聲影響，有必要對圖像進行濾波處理。中值濾波算法采用3×3像素模塊，通過比較運算，求取9個像素值中的中間值，代替3×3像素塊中間位置像素點的像素值。快速中值濾波算法將9個像素點的比較運算分解為3組3個像素分別比較，經(jīng)過三個層次比較，得到中間值，可有效減小運算的復雜度，滿足視頻信號處理的實時性等要求。具體操作步驟如下：

①串行輸入的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過3級FIFO緩沖，并在每級FIFO輸出端引入兩級寄存器，每個端口引出數(shù)據(jù)輸出端，得到并行的3×3像素塊的9個像素值。

②將9個像素值分為三組，分別比較計算得到每組的最小值、中間值和最大值。

③將②中得到的三個最小值分別為一組進行比較，輸出其中的最大值，將②中得到的三個中間值分為一組進行比較，輸出其中的中間值，將②中得到的三個最大值分別為一組進行比較，輸出其中的最小值。

④將③中得到的最大值、中間值、最小值進行比較，輸出中間值，即得到3×3?像素塊中的中值。