[發(fā)明專利]一種基于FPGA的實(shí)時(shí)二值圖像連通域標(biāo)記實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410068052.2
• 申請(qǐng)日: 2014-02-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104881666B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 王磊
• 主分類號(hào): G06K9/38
• 分類號(hào): G06K9/38;G06T1/20
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二值圖像連通域標(biāo)記實(shí)現(xiàn)方法，尤其是一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件通過(guò)硬件方式，使用超標(biāo)量流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)進(jìn)行連通域標(biāo)記的方法。屬于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)以及目標(biāo)識(shí)別和視覺(jué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二值圖像連通域標(biāo)記在雷達(dá)系統(tǒng)中為動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率位置、距離向位置、相位、幅度、角度和速度等參數(shù)的解算提供了重要依據(jù)，另外該技術(shù)還廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)探測(cè)、制導(dǎo)、導(dǎo)航以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。

二值圖像連通域標(biāo)記是從僅由“0”（表示背景點(diǎn)）和“1”（表示目標(biāo)點(diǎn)）組成的點(diǎn)陣圖像中，將相鄰的目標(biāo)提取出來(lái)。其目的是尋找圖像中所有的目標(biāo)對(duì)象，并且將屬于同一目標(biāo)對(duì)象的所有像素用唯一的標(biāo)記值進(jìn)行標(biāo)記。在算法仿真階段，往往在MATLAB中使用bwlable函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。在實(shí)現(xiàn)階段，通常有軟件和硬件實(shí)現(xiàn)兩種方式。

軟件實(shí)現(xiàn)的方式是使用高性能的PC機(jī)或者工作站，用基于軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于CPU執(zhí)行指令的串行化特點(diǎn)，當(dāng)圖像分辨率、幀率提高或動(dòng)目標(biāo)數(shù)量變多時(shí)，處理一幀圖像所耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)線性增長(zhǎng)。當(dāng)處理時(shí)間大于幀間隔時(shí)間時(shí)，會(huì)導(dǎo)致丟幀。為了降低處理延時(shí)，一般的方式是對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了區(qū)域增長(zhǎng)法、深度或者廣度優(yōu)先搜索法、線標(biāo)記法等各種優(yōu)化算法。文獻(xiàn)“一種二值圖像連通區(qū)域標(biāo)記的新方法”（計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006；42（25）：50-51）中使用區(qū)域增長(zhǎng)法，只需要對(duì)圖像進(jìn)行一次掃描，提高了運(yùn)算速度。“一種二值圖像連通區(qū)域標(biāo)記的新方法”（計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007；27（11）：2776-2777）中使用線標(biāo)記法和區(qū)域增長(zhǎng)法相結(jié)合的方法，其把連通體作為檢測(cè)的基本單元，大大減少了需要檢測(cè)的個(gè)數(shù)。但是該算法需要反復(fù)搜索每個(gè)連通體的領(lǐng)域，并且當(dāng)圖像中含有很多點(diǎn)狀和豎線裝連通區(qū)域時(shí)該算法執(zhí)行效率會(huì)顯著退化。通過(guò)分析軟件實(shí)現(xiàn)方式得到的測(cè)試結(jié)果，完成分辨率為1024x768的圖像連通域標(biāo)記一般處理時(shí)間在百毫秒量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)處理的要求。

硬件實(shí)現(xiàn)方式基于ASIC或者FPGA器件，利用其并行化特點(diǎn)來(lái)降低處理延遲。文獻(xiàn)“FPGA based connected component labeling”（International Conference on Control，Automation and Systems. Seoul, Korea, 2007：2313-2317）中描述了一種基于硬件方式的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，可以每秒處理200幀圖像，但是最大僅支持255個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，在動(dòng)輒需要同時(shí)處理數(shù)千個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中沒(méi)有實(shí)際用處。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決圖像分辨率最高達(dá)18432x4096，并且需要同時(shí)處理數(shù)千個(gè)上萬(wàn)個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的合成孔徑雷達(dá)中現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)二值圖像連通域標(biāo)記的技術(shù)難題。本發(fā)明基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件通過(guò)硬件方式，使用超標(biāo)量流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)標(biāo)記大規(guī)模運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且本方案能自適應(yīng)各種分辨率，在動(dòng)目標(biāo)形狀和數(shù)量改變時(shí)不會(huì)影響其性能，魯棒性強(qiáng)，其運(yùn)算結(jié)果和MATLAB的bwlabel函數(shù)完全一致。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明的一種基于FPGA的實(shí)時(shí)二值圖像連通域標(biāo)記實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)算法使用四鄰域標(biāo)記算法，具體來(lái)講就是對(duì)某一點(diǎn)的處理只與其左邊和上邊的點(diǎn)的狀態(tài)相關(guān)。處理過(guò)程使用四次掃描的方式，第一次使用順序方式，從左到右、從上到下對(duì)圖像進(jìn)行處理；第二次則反之使用逆序方式，從右向左、從上到下進(jìn)行處理；第三次又使用順序方式處理；最后一次使用逆序方式掃描處理圖像。此種處理算法是比較普通的算法，其計(jì)算量相對(duì)較大，但是能夠保證在任何形狀和任何數(shù)量動(dòng)目標(biāo)的情況下得到和bwlabel函數(shù)一致的結(jié)果。本發(fā)明的著眼點(diǎn)是使用獨(dú)創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)思想提高處理性能，達(dá)到對(duì)高分辨率和高幀率圖像實(shí)時(shí)處理的有益效果。