基于FPGA的圖像邊緣檢測

引言

? ? 圖像邊緣檢測是圖像處理的一項基本技術，在工業、醫學、航天和軍事等領域有著廣泛的應用。圖像處理的速度一直是一個難題。雖然DSP具備指令流水線特性和很高的處理速度，但其速度仍然很受限制，而利用高速可編程邏輯器件FPGA/CPLD來設計圖像邊緣檢測器可以很好的克服這個問題，是一種全新的解決方案。

1 圖像邊緣檢測算法

?? 用于圖像邊緣檢測的算法很多，諸如Rorberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplaceian算子等，由于Sobel算法只涉及到加法操作，并且可以取得很好的效果，所以是最常用的邊緣檢測算法。由于圖像在邊緣附近會出現灰度上的突變，所以，Sobel邊緣檢測方法以原始圖像灰度為基礎，并通過考察圖像每個像素在某個領域內灰度的變化，然后利用邊緣鄰近的一階導數最大值來檢測邊緣，再設置權重來檢測水平、垂直、左對角、右對角等各個不同方向上密度幅度的不同來實現邊沿檢測。圖1所示是一個3×3像素的舉例，其水平、垂直、左對角和右對角圖像上密度幅度的變化可以表示為：

H=(Q0+Q3+Q3+Q6)-(Q2+Q5+Q5+Q8)

V=(Q0+Q1+Q1+Q2)-(Q6+Q7+Q7+Q8)

DR=(Q1+Q0+Q0+Q3)-(Q5+Q8+Q8+Q7)

DL=(Q1+Q2+Q2+Q5)-(Q3+Q6+Q6+Q7)

其中，H、V、DL、DR用于計算梯度的大小和方向，而梯度的大小可由正式給出一個普遍的估計值：

Magnitude=Max(H，V，DR，DL)

? 這樣，通過對圖像灰度作直方圖分析，便可以給出區分度閥值，如果Magnitude大于這個閥值，則該像素為邊界像素，否則為一般像素。

2 系統設計

? 該邊緣檢測器以ALTERA公司的FLEX10K20芯片為核心器件。由圖像傳感器獲取的圖像經前端處理器處理即可得到3×3像素圖形數據，然后送入各個濾波器進行濾波，最后將有關結果送輸出處理模塊處理后輸出，其流程圖如圖2所示。

?? 邊緣檢測的關鍵是求出四個方向的圖像梯度數據絕對值的最大值，同時判別最大值出現的方向，其內部結構如圖3所示，邊緣檢測的核心部分包括濾波器FILTER、比較器COMPARE、邊界判斷器JUDGE和寄存器等。

2.1 濾波器的設計

?? 濾波器(FILTER)的設計可采用兩級并行流水線方案，其內部結構如圖4所示。圖中的QA、QB、QC、QD、QE、QF對應接上Q0、Q3、Q6、Q2、Q5、Q8表示水平方向濾波，其輸出則為H_FILTER。垂直方向濾波器、左對角濾波器和右對角濾波與水平方向濾波器類似。為了提高加法運算的速度，加法器的設計可選用超前進位加法器。

2.2 比較器的設計

比較器模塊的功能是比較兩個輸入值以得到其最大值。其VHDL源程序如下：

2.3 邊界判斷器的設計

?? 邊界判斷器JUDGE的功能是根據區分度閥值、四個濾波器的輸出及其最大值進行邊界的判斷。其VHDL源程序如下：

3 仿真分析

? 本設計的系統時序仿真波形如圖5所示。事實上，對于圖像邊緣檢測中的sobel算法來說，若使用FPGA來設計，則H、V、DR、DL四個方向的濾波可以全部并行。另外，由于每個方向的濾波器設計時均采用一級四路并行加法器與一級雙路并行加法器相串聯，因此，算上兩級串行比較器。實際上，整個過程只有四級串行結構。

4 結束語

對于本文所設計的系統，假設使用40 MHz的系統時鐘，則處理一個像素點的時間約100 ns，也就是說，處理一張800×600的圖像所用的時間不到50 ms。由此可見，該設計可大大提高圖像邊沿檢測的處理速度。