基于fpga的sobel边缘检测系统的设计

基于fpga的sobel边缘检测系统的设计

图像的边缘通常与大多数图像信息相连。这是图像的基本特征之一。但因其算法处理的数据量大,用一般的软件实现会比较慢,无法达到实时系统的要求。而使用FPGA芯片,用硬件实现对底层的图像预处理可提高图像处理的速度,满足系统实时要求,同时FPGA的应用也为提高图像处理速度提供了新的思路和解决方法。随着FPGA芯片技术的进步,其价格逐步降低,而性能迅速增强,这为使用FPGA芯片搭建图像处理平台提供了可能。在此将Sobel算子针对FPGA的并行结构特点和流水线技术,在实现过程中进行修改,以实现基于FPGA的高速的边缘检测。1在加速度运算中的应用图像的边缘分为多种类型,大部分图像的边缘可分为阶跃型、房顶型、凸缘型。如图1所示。由于3种边缘在灰度上都有明显的变化,所以通过对图像取微分,可以提取以上3种边缘的信息。Sobel算法是一个较成熟的微分边缘检测算法,它计算简单,只涉及到加法运算,同时具有非线性和一定的平滑效果,所以在对边缘精度要求不是很高的项目中有着广泛的应用。参考的邻域为3×3,其计算公式如下:Gx=(a02+2a12+a22)−(a00+2a10+a20)Gy=(a00+2a01+a02)−(a20+2a21+a22)Gx=(a02+2a12+a22)-(a00+2a10+a20)Gy=(a00+2a01+a02)-(a20+2a21+a22)Sobel算子参考的邻域表示如下:a00a10a20a01[i,j]a21a02a12a22a00a01a02a10[i,j]a12a20a21a22从上式可以看出,Sobel算子给与中心点相邻的4个点以更多的权重,同时,因为参考了3×3的邻域,可以避免在像素之间内插点上计算梯度,也可以检测出45°倍数的边缘。2处理一般流程图像处理中的数据具有数据量大,可并行处理操作及重复操作多的特点,而FPGA(FieldProgrammableGateArray)现场可编程门阵列,具有硬件执行处理,流水线任务处理技术以及并行信息处理的优点,适合用于图像处理领域,结合自身优点提高处理速度。流水线任务处理技术是指,在流水线结构中,一个大任务按时序分割为几个复杂程度相当的子任务,各个子任务在流水线上不同的位置同时执行,整个任务的速度取决于执行时间最长的子任务的执行时间。该操作可以减少数据操作等待时间,提高系统资源使用效率。并行结构是相对串行结构而言的,是指将相同的任务在同一时间进行,比如同时对9组数据进行相加操作。该操作可有效解决图像处理中的数据量大,可并行处理操作多的问题。通过对Sobel算子的研究,挖掘算子内部的并行性,并与流水线任务处理技术结合起来,达到了提高处理速度的目的。FPGA在硬件并行结构和流水线结构有着天然的优势,将Sobel算子应用在FPGA上,其处理速度满足实时系统的要求。3意义的并行结构系统基于Altera公司的CYCLONE系列芯片中的CYCLONEEP1C20型FPGA。系统构建时引入了模块化设计思想,每个功能模块实现一定的功能,并且具有良好的移植性和系统扩展性。根据设计思想,可以将系统划分为以下几个模块,如图2所示。下面给出3×3方形窗口数据提取模块和Sobel算子模块的具体结构。为了实现并行结构,系统首先要构造3×3并行输出的数据窗口。该模块由2个FIFO(先入先出栈)对图像的行数据进行缓存,然后并行输出3行图像数据,再由9个D触发器对数据进行时延,最终可以形成3×3的窗口数据。在并行输入Sobel算子模块中,作为数据输入,处理所得的结果,即为3×3窗口中心点的Sobel梯度值。其结构如图3所示。核心模块Sobel算子模块具体的实现结构是,Sobel算子中的x,y向梯度使用并行结构,同时计算;计算梯度时使用流水线结构,分为3个小任务。该结构可以保证每个周期输出1个点的Sobel梯度值。其结构如图4所示。结构中为避免使用乘法器,用加法器对其进行代替,可以提高处理系统的频率。另有数据溢出问题,采用先扩展位数,再将结果裁减为8位的方法,保证数据的有效输出。4实验结果及分析通过VerilogHDL语言按设计思路进行程序编写,在QuartusⅡ中仿真。仿真所用图像为128×128的8位灰度图像。得到仿真结果如图5所示。图5中竖线处的时间为5.30μs,是第265个周期,表明在延时265个周期后开始输出有效数据。延时产生的原因是FIFO填充时间和处理周期延时。将程序下载到FPGA中,得到的数据,通过逻辑分析仪,再经过Matlab的转换,得到结果图像,如图6所示。从仿真结果,及实验所得到的图像来看,该系统较好地完成了Sobel算子边缘检测的任务。实验结果表明,使用FPGA可以完成图像处理的边缘检测工作。同时,假定使用50Hz(实验时使用值)作为驱动源,处理一幅256×256的8b图像,所需时间为1.3ms,每秒可处理图像770幅,达到了实时系统的要求,解决了普通计算机运算需时长的问题。该系统占用266个逻辑门,20个引脚及4096b的内存,为板上资源的2%,剩余的资源可以用来实现更复杂的功能。5fpga技术的应用这里通过采用可编程的FPGA,完成了3×3方形窗口数据的提取模块和Sobel边缘检测算子模块,将图像边缘处理使用FPGA完成。通过FPGA的流水线结构和良好的并行性,使图像边缘检测的大量重复的计算效率提高