基于FPGA的線陣CCD子圖像提取模塊的設(shè)計(jì)與仿真

李壽強(qiáng)

（成都工業(yè)學(xué)院，四川成都，610081）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制，已逐漸成為一種有效的應(yīng)用技術(shù)。線陣CCD圖像傳感器廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品尺寸測(cè)量和分類、非接觸尺寸測(cè)量、條形碼、形態(tài)識(shí)別等眾多領(lǐng)域。在圖像檢測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)具備一個(gè)高速的子圖像提取和輸出模塊，本文采用FPGA器件EP3C25F256C8和CCD線陣圖像傳感器RL1024P，實(shí)現(xiàn)線陣CCD圖像檢測(cè)系統(tǒng)中的子圖像提取和輸出功能。

1 子圖像提取模塊的設(shè)計(jì)

子圖像提取模塊的功能可描述為：采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)串行輸入的黑白圖像和同步信號(hào)，提取該圖像中設(shè)定尺寸大小的子圖像。假設(shè)輸入圖像大小為i * j，某一像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置為（X,Y），要取出子圖像的大小為m * n，則用c代碼描述為：for(b=0;b

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，線陣CCD圖像采集模塊采用串行的方式輸出1x1024像素的一行圖像，子圖像提取模塊接收該圖像數(shù)據(jù)、緩沖、再輸出16x16像素的子圖像。子圖像提取模塊的外部端口，如圖1所示。主要信號(hào)有：像素同步時(shí)鐘信號(hào)CCD_CLK、像素?cái)?shù)據(jù)CCD_DATA、當(dāng)前輸入像素的坐標(biāo)CCD_ADDR[9..0]；另外，N_RST和SYS_CLK為系統(tǒng)提供的復(fù)位信號(hào)和處理時(shí)鐘信號(hào)。其中，每個(gè)CCD_CLK的上升沿出現(xiàn)時(shí)CCD_DATA像素有效，且該像素所在的位置為CCD_ADDR[9..0]值。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)CCD_CLK周期內(nèi)均輸出一個(gè)子圖像，SYS_CLK應(yīng)該為CCD_CLK的10倍左右。

本文采用“圖像轉(zhuǎn)置緩沖區(qū)”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)子圖像提取模塊?！皥D像轉(zhuǎn)置緩沖區(qū)”是一個(gè)按行寫(xiě)入（更新）、按列讀出的一個(gè)RAM緩沖區(qū)。在FPGA內(nèi)部設(shè)置一個(gè)1024個(gè)單元的RAM緩沖區(qū)，每個(gè)單元的位寬為16bits。線陣CCD采集模塊輸出的線陣圖像與子圖像的關(guān)系，如圖2所示。其中，第0行表示圖像的當(dāng)前行，第N行為歷史行，每行有1024個(gè)像素，按照p0至p1023的像素順序輸出。假設(shè)當(dāng)前CCD_CLK輸入的像素為第0行的p16像素，則其對(duì)應(yīng)的16X16子圖像為圖中的陰影部分。

圖1 子圖像提取模塊的外部端口

圖2 線陣圖像與子圖像的關(guān)系沖區(qū)”的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖3 “圖像轉(zhuǎn)置緩

“圖像轉(zhuǎn)置緩沖區(qū)”RAM塊存儲(chǔ)圖像的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。RAM塊共有1024個(gè)單元，每個(gè)單元為16位的寬度，可存放最近的16行圖像數(shù)據(jù)。對(duì)比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)，RAM塊的地址編號(hào)相當(dāng)于線陣CCD圖像的某一行像素的位置，某個(gè)RAM單元的位D15～D0對(duì)應(yīng)某一列的最近16個(gè)像素，相當(dāng)于對(duì)線陣圖像轉(zhuǎn)置后再存放到RAM塊中。對(duì)RAM緩沖區(qū)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，由于線陣CCD圖像的數(shù)據(jù)是按行逐位輸入的，每個(gè)CCD_CLK時(shí)鐘上升沿出現(xiàn)時(shí)，僅需更新RAM緩沖區(qū)中當(dāng)前像素對(duì)應(yīng)的比特，因此在邏輯上是根據(jù)圖像按行寫(xiě)入RAM區(qū)的。在FPGA器件中，可設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)“圖像轉(zhuǎn)置緩沖區(qū)”的讀寫(xiě)操作，如圖4所示。

圖4 圖像轉(zhuǎn)置RAM讀寫(xiě)狀態(tài)機(jī)

子圖像提取模塊輸出的子圖像有256個(gè)像素，在FPGA內(nèi)部通過(guò)寄存器暫存上一個(gè)輸出的子圖像；當(dāng)更新RAM區(qū)的某個(gè)像素時(shí)，把16X16的滑動(dòng)窗口向右移動(dòng)一列像素的位置，把滑動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)作為輸出，就可以得到新的子圖像。

2 設(shè)計(jì)仿真

在本文的設(shè)計(jì)仿真中，由于用到圖像文件的解析和圖像顯示，因此借助MATLAB和Modelsim軟件，通過(guò)文件讀寫(xiě)的方式實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合仿真，可使仿真處理更加便捷和直觀。其中，MATLAB用來(lái)把圖像文件轉(zhuǎn)換為輸入的像素，以及顯示輸出的子圖像；Modelsim用來(lái)仿真和驗(yàn)證FPGA設(shè)計(jì)是否正確。

本文使用MATLAB和Modelsim進(jìn)行聯(lián)合仿真，主要有以下三個(gè)步驟。第一步，在MATLAB中編寫(xiě)m文件，讀取bmp位圖文件并把像素?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入文件datain.txt中，作為ModelSim仿真的輸入激勵(lì)信號(hào)。第二步，在ModelSim中，用VHDL編寫(xiě)Testbench測(cè)試文件，讀取datain.txt文件，產(chǎn)生與CCD_CLK同步的像素信號(hào)；編寫(xiě)DO文件進(jìn)行自動(dòng)化仿真，再把仿真輸出的子圖像數(shù)據(jù)保存在dataout.txt文件中。第三步，在MATLAB中編寫(xiě)m文件，解析dataout.txt文件，依次顯示為16x16的黑白圖片序列，確定仿真結(jié)果是否正確。本設(shè)計(jì)仿真輸入的圖像及輸出的子圖像序列，如圖5所示。從仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)方法是正確的，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)功能的要求。

圖5 仿真輸入的圖像和輸出的子圖像序列

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用線陣CCD圖像傳感器進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)，連續(xù)、高速地輸出子圖像序列是必不可少的重要環(huán)節(jié)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)子圖像序列的提取和輸出，有多種不同的設(shè)計(jì)方法。本文采用“圖像轉(zhuǎn)置緩沖區(qū)”和狀態(tài)機(jī)的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的子圖像提取和輸出的功能，并用MATLAB和ModelSim工具軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，該方法具有FPGA資源占用少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速處理，以及便捷和直觀的特點(diǎn)，對(duì)其他類似的FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目有很好的參考作用。

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