基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)的設計與實現

段紀丁 杜 爽 鐘榮 崔 鵬

1. 西南科技大學工程技術中心智能機器人創(chuàng)新實踐班，四川 綿陽 621010 2. 西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010

基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)的設計與實現

段紀丁1杜 爽2鐘榮2崔 鵬1

1. 西南科技大學工程技術中心智能機器人創(chuàng)新實踐班，四川 綿陽 621010 2. 西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010

本文基于中值濾波算法與改進的Sobel邊沿檢測算法理論，采用了SOPC技術，以FPGA為核心設計了圖像采集系統(tǒng)，通過VerlogHDL語言實現了圖像處理算法模塊對圖像進行預處理，實現了圖像的除噪、干擾濾除以及邊沿檢測與傳輸，實現了上、下位機的同步顯示，并且通過上位機上可以結合更多的圖像識別算法，為實現更加復雜的圖像處理奠定了基礎。

FPGA；中值濾波；Sobel檢測算法；H264壓縮

算法；VerlogHDL

中圖類分號：TP317.4

引言

圖像是人類獲取信息的重要途徑[1],隨著數字圖像技術的廣泛應用，許多領域對圖像的質量的要求越來越高，越來越多的圖像處理的算法也在實際中得到應用，其中較為廣泛的有中值濾波算法、Sobel圖像邊沿檢測算法等。中值濾波算法是一種非線性空間濾波方法，對于脈沖干擾以及輸入噪聲有很好的處理效果[2]，但是本身對圖像邊沿的檢測效果不是很好。本文基于中值濾波算法和一種改進的Sobel圖像邊沿檢測算法[3]相結合，提出一種對圖像進行處理的綜合方式，并且以Altera公司的FPGA為核心，通過VerlogHDL語言構建上述算法模塊，根據實際設計了圖像處理系統(tǒng)，經實際效果顯示，該系統(tǒng)對于圖像有很好的處理效果。

1 圖像處理算法的原理與設計

1.1 中值濾波算法原理[2]

中值濾波算法是圖基（Turky）在1971年提出來的[4]，通過定義大小為N*N的領域，根據領域(x,y)內的像素灰度進行排序，以該點的中值midde作為該領域的等效灰度值。中值濾波是一種非線性基于領域操作的處理算法，能夠有效地處理圖像信號中的噪聲和干擾，中值濾波公式如下：

上式（1）中，g(x,y)表示在(x,y)處

經過中值濾波后的等效灰度值。在FPGA中利用VerlogHDL語言構建中值濾波算法模塊。本文對由3*3方形窗生成的9個像素輸出數據進行濾波處理。圖1為中值濾波算法流程圖，將窗口中的9個像素分為3組，分別對這3組中的最值min_of_max， max_of_min和med_of_med進行比較，最后得到等效像素灰度值midde。

圖1 中值濾波算法操作流程

1.2 改進Sobel算法原理[3]及構建

經典的Sobel算法是通過在圖像空間，利用兩個方向模板與圖像鄰域進行卷積，最后通過與閥值TH進行大小比較后的結果來判斷是否圖像邊緣，這樣的方式只能檢測兩個方向的邊緣，對于較復雜的圖像就不具備高效性，并且僅根據與閥值的大小關系判斷邊緣點是欠合理的。

基于以上不足，本文采取改進后的Sobel檢測算法，通過邊緣跟蹤的思想，檢測水平、垂直、左對角、右對角等8個不同方向上像素點的灰度平滑性來識別圖像邊沿,并且，根據檢測該點的梯度值與確定閥值TH進行比較，見表1，判斷是否為邊緣點。計算式如式（2）：

表1 Sobel邊沿檢測算法改進前后效果對比

其中，grade(m,n)為像素點(m,n)對應的梯度值; Max(i,j)為(m,n)點8鄰域

最大梯度值; 為控制因子。這種方式不但突出了對圖像的邊緣銳化, 而且有增強邊緣對比值，為后期對圖像位置的定位起到了重要的作用。圖2為處理前后的效果對比圖。

2 系統(tǒng)硬件結構[5]及處理結構

2.1 圖像采集、處理與傳輸的工作流程

該系統(tǒng)采用CCD攝像頭模塊進行圖像

信息的采集，由視頻解碼芯片SAA7113對采集的模擬圖像信息進行數字化處理，并通過FPGA中FIFO內組成的數據幀存儲在外部SDRAM中[6]，并且利用編碼芯片SAA7121對處理后的數字信息進行D/A轉換，使之能夠輸出PAL制式的電視視頻信號，并利用H264圖像壓縮算法對處理后的數據進行了壓縮處理，整個操作流程如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)的硬件組成結構框

2.2 圖像顯示效果對比

基于設計的硬件與軟件模塊，對一靜物進行了圖像采集測試，如圖4得知，圖4a經過無線傳輸在TFT屏上顯示的比圖4a具有少許的噪聲，并且圖4b的灰度、對比度均發(fā)生些許的變化，但是基本上與圖4a顯示的效果一樣，達到了預期的目的。

圖4 圖像顯示效果對比

3 結束語

本文結合計算機圖像處理技術、通信技術和嵌入式自動控制技術，設計了由FPGA為控制核心的圖像處理系統(tǒng)。通過構建圖像處理算法模塊，實現了對圖像的處理，從實驗顯示效果圖來看，可以看出該圖像采集方案實現了圖像的無誤采集、存儲與傳輸，在項目處理圖像采集與傳輸過程中起到了很重要的作用，該系統(tǒng)已經應用在筆者所承擔的項目中。

[1] 孫紅亮 等，基于FPGA+ARM的高速計算機屏幕信息記錄系統(tǒng)[M]. 電子技術應用，2011:38-39.

[2] 王德勝,康令州. 基于FPGA的實時圖像采集與預處理[M]. 器件與應用，2010:32-33.

[3] 劉彩. 一種改進的Sobel圖像邊緣檢測算法[J]. 貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2004:77-78.

[4] 陳燕，李亞萍，楊永雙. 一種適合FPGA實現的中值濾波算法及軟硬件協(xié)同仿真[J]. 華北水利水電學院學報，2010:79-81.

[5] 馬利剛,馬鐵華. 基于FPGA的實時圖像采集系統(tǒng)設計[J]. 計量與測試技術，2009:51-56.[6] 高超,須文波,孫俊. 新的強高斯噪聲自適應濾波方法[J]. 計算機工程與應用，2011:154-156

西南科技大學大學生創(chuàng)新基金（項目編號：CX11-011）

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.045

A

段紀?。?989- ），男，在讀本科生，西南科技大學工程技術中心智能機器人創(chuàng)新實踐班，研究方向：自動控制、控制理論與控制工程。