摘 要： 一種基于SoPC嵌入式單片解決方案的實時邊緣檢測系統(tǒng),，利用FPGA片上邏輯資源實現(xiàn)了對640×512大小的動態(tài)8 bit灰度圖像的實時邊緣檢測運算,，并利用片內(nèi)NiosⅡ處理器對系統(tǒng)進行控制。分析了系統(tǒng)組成,、工作原理,、性能數(shù)據(jù)處理算法及實現(xiàn)過程。
關(guān)鍵詞： 圖像處理,；SoPC,；邊緣檢測；FPGA；NiosⅡ
圖像邊緣可以定義為圖像局部特征的不連續(xù)性,，表現(xiàn)為圖像灰度級的突變,、紋理結(jié)構(gòu)的突變和彩色的變化等。圖像的邊緣信息包含了大部分的圖像特征信息,，對圖像分析十分重要[2],。邊緣檢測技術(shù)是圖像處理和計算機視覺等領(lǐng)域最基本的技術(shù)，如何快速,、精確地提取圖像邊緣信息一直是國內(nèi)外研究的熱點,，然而邊緣檢測又是圖像處理中的一個難題[3]。在嵌入式系統(tǒng)中,，往往也需要用到邊緣檢測等圖像處理方法,。而由于嵌入式系統(tǒng)對成本、功耗,、運算速度及實時性的要求較嚴格,，邊緣檢測算法的工程實現(xiàn)以及實現(xiàn)效率和成本便有了很重要的實際意義。
片上可編程系統(tǒng)SoPC(System on a Programmable Chip)是Altera公司提出的一種高效,、靈活的SoC解決方案,。它將處理器、存儲器,、I/O口等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個PLD 器件上，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng),。它有非常靈活的設(shè)計方式,，而且實現(xiàn)了軟硬件在系統(tǒng)可編程。
本文研究了一種采用SoPC單片解決方案的實時邊緣檢測系統(tǒng),，通過利用FPGA片上資源實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的實時處理,，達到了較高的處理性能，并且簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。同時通過在FPGA片上構(gòu)建NiosⅡ嵌入式處理器對系統(tǒng)進行控制,，并將數(shù)據(jù)處理部分封裝成處理器的外設(shè)，增加了系統(tǒng)的靈活性與可擴展性,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)硬件部分由CCD攝像模塊,、FPGA板、VGA接口電路及VGA顯示器四部分組成,。其中NiosⅡ嵌入式處理器,、存儲器接口、數(shù)據(jù)采集處理模塊以及顯示模塊均由FPGA片內(nèi)實現(xiàn),。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
CCD攝像模塊負責(zé)采集動態(tài)圖像數(shù)據(jù)，工作頻率25 MHz，輸出圖像格式為640×512,、30 bit彩色圖像,，圖像采集速度為13f/s。因為系統(tǒng)存儲芯片容量限制,，所以處理前將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8 bit灰度圖像,。
FPGA芯片采用EP2C35F672C6，負責(zé)圖像采集,、數(shù)據(jù)處理及存儲,、VGA輸出以及系統(tǒng)控制等工作。通過將各個模塊封裝成NiosⅡ處理器的外設(shè),，能夠大大簡化系統(tǒng)設(shè)計工作,，并且能夠更方便地對各模塊進行控制。
VGA接口部分采用ADV7123三通道高速DA芯片,，將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成VGA模擬信號輸出,。輸出分辨率為800×600，刷新頻率為60 Hz,。屏幕顯示面積比圖像大,，多余的部分可以用來顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)等信息。
1.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)運行時,，由CCD攝像模塊進行圖像采集工作,，通過CCD接口模塊將圖像數(shù)據(jù)傳入FPGA，并轉(zhuǎn)換成為8 bit灰度圖像數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)處理模塊對圖像數(shù)據(jù)進行處理,，包括邊緣檢測處理以及圖像反色、低通平滑濾波等前期處理工作,，并對運算結(jié)果進行二值化處理,。圖像處理完畢后將數(shù)據(jù)存儲在SRAM存儲器中，VGA顯示模塊從SRAM存儲器中讀取圖像數(shù)據(jù),，并按照VGA時序?qū)⑿盘査腿隓A芯片,，產(chǎn)生相應(yīng)模擬信號供顯示器顯示圖像。
整個系統(tǒng)由NiosⅡ嵌入式處理器進行控制,，并接受人機接口傳來的控制信息,。同時通過在SRAM中寫入數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)等信息,。
2 圖像處理算法及實現(xiàn)
2.1 數(shù)據(jù)處理算法
邊緣檢測算法選用了Laplace算子進行運算,，算子結(jié)構(gòu)如下：
使用此算子對圖像數(shù)據(jù)進行卷積，即可得到邊緣檢測圖像,。此算子對各向邊緣響應(yīng)相同,，且效果較好，是一種比較經(jīng)典的邊緣檢測算法。但是此算子對圖像中的噪聲比較敏感,，會加強圖像中的噪聲,，從而影響圖像質(zhì)量。參考文獻[5]使用此算子進行靜態(tài)無噪聲圖像的邊緣檢測算法實現(xiàn),，效果較好,，但由于未加入噪聲抑制措施，因而不能處理噪聲較大的實時圖像,。本系統(tǒng)在邊緣檢測運算之前先進行圖像平滑等預(yù)處理,，從而有利于減少圖像中噪聲的干擾，能有效改善圖像質(zhì)量,。
本系統(tǒng)采用了低通平滑運算以及圖像二值化運算等對圖像進行預(yù)處理,。其中低通平滑運算采用以下算子對圖像數(shù)據(jù)卷積：
此算子中各項數(shù)值有利于在實現(xiàn)時使用位移運算代替乘法運算，從而減少硬件資源的使用并提高運算速度,。通過設(shè)定合適的閾值,，圖像數(shù)據(jù)二值化運算的引入有利于增加最終處理結(jié)果的對比度。
2.2 算法實現(xiàn)
為了簡化顯示部分的設(shè)計,，系統(tǒng)實現(xiàn)時忽略了卷積運算的邊緣效應(yīng),，使處理后的圖像和原始圖像尺寸相同。數(shù)據(jù)處理部分實現(xiàn)時采用了FIR濾波器的結(jié)構(gòu),，用移位寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)延時,，使用乘法器對各個數(shù)據(jù)進行乘法運算，并把運算后的數(shù)據(jù)求和輸出,。
圖2為數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)圖,。圖像每行有640像素，因此由640移位寄存器提取數(shù)據(jù)中相鄰行的對應(yīng)像素數(shù)據(jù),；由延時器提供一個周期的延遲,，即提取每行中相鄰像素數(shù)據(jù),；通過640位移寄存器和延時器即可將圖像數(shù)據(jù)中待卷積部分數(shù)據(jù)提取出來,，由乘法器將數(shù)據(jù)與對應(yīng)系數(shù)相乘，并由加法器將結(jié)果相加,，即可得到運算結(jié)果,。
本數(shù)據(jù)處理模塊已在Quartus7.2環(huán)境下編譯通過，并進行仿真,，達到要求,。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)持續(xù)有效時，模塊能夠每個時鐘周期計算一次卷積,，并輸出結(jié)果,。使用時鐘頻率為25 MHz時，最大處理帶寬為200 Mb/s，處理640×512大小的圖像速度為76 f/s,，因此實際處理速度僅受CMOS攝像頭的速度限制,。通過模塊的時序仿真，此模塊最高運行頻率可達86 MHz,，即處理數(shù)據(jù)帶寬可達688 Mb/s,，處理速度可達262 f/s。通過增加模塊的并行度,，還可進一步提高處理速度,。
圖3為本數(shù)據(jù)處理模塊在Quartus7.2環(huán)境下進行仿真時的波形。其中iB為輸入數(shù)據(jù),；oB為輸出數(shù)據(jù),；iClk為模塊時鐘信號；iCtrl為數(shù)據(jù)有效標志信號,，當(dāng)此信號為高時iB信號有效,，否則表示數(shù)據(jù)無效，并需要暫停數(shù)據(jù)處理工作,。
3 實驗結(jié)果
圖4為系統(tǒng)運行時圖像,，分別為原始圖像、邊緣檢測結(jié)果,、加入平滑預(yù)處理后的邊緣檢測結(jié)果以及對運算結(jié)果進行二值化處理后的圖像,。
從運行結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能夠?qū)D像進行邊緣檢測運算,，并且檢測精度比較高,。由于實時圖像存在噪聲，可以對圖像進行平滑處理降噪之后再進行邊緣檢測,，這樣可以得到較好的效果,，能夠提高圖像質(zhì)量，但同時會使圖像對比度有所下降,。合理地設(shè)定二值化的閾值可以增加圖像對比度,，進一步提高圖像質(zhì)量。
完全由硬件電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法,，并且能夠在數(shù)據(jù)處理中實現(xiàn)高并行度是FPGA的優(yōu)勢,。傳統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)由于對數(shù)據(jù)進行串行操作，處理一次卷積需要幾十至幾百個指令周期,，而利用FPGA硬件資源進行數(shù)據(jù)運算則可以在一個周期內(nèi)得到運算結(jié)果,，效率大大提高。通過修改內(nèi)部邏輯,，能夠很容易地增加系統(tǒng)并行度,，從而大幅度提高系統(tǒng)運算速度,。
同時SoPC解決方案中嵌入式處理器的引入使系統(tǒng)更加靈活并有了較大的擴展空間，可以完成復(fù)雜的系統(tǒng)控制工作以及人機接口控制,。通過把數(shù)據(jù)處理模塊封裝成為處理器自定義外設(shè),，不僅簡化了控制，而且增加了模塊的可重用性,。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理模塊,、嵌入式處理器核以及各個接口邏輯均由FPGA單片實現(xiàn)，省去了處理器芯片及其外圍邏輯芯片,，從而簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),，并降低了系統(tǒng)硬件成本。系統(tǒng)性能穩(wěn)定,、噪聲小,、易于移植、靈活性高,、處理速度快,、易于實現(xiàn)實時處理。本系統(tǒng)可以作為更高層圖像處理技術(shù)的前期處理部分,也可以在視頻處理技術(shù)中得到應(yīng)用,。本系統(tǒng)只占用19%片上邏輯單元,，還有大部分邏輯資源沒有使用，這就為系統(tǒng)的進一步擴展提供了條件,。
參考文獻
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