一種改進(jìn)的Canny算法及其仿真驗(yàn)證

付博研+盧振洋+白立來(lái)+陳雨+劉嘉

摘 要： 為了提升Canny邊緣檢測(cè)的效果，并使之適用于FPGA平臺(tái)，提出一種改進(jìn)的Canny算法，并用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該算法；將改進(jìn)的Canny算法定點(diǎn)化處理并使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，采用一種Matlab與Modelsim聯(lián)合的仿真方法，進(jìn)行了FPGA仿真實(shí)驗(yàn)，以對(duì)改進(jìn)算法在FPGA上的性能進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的算法檢得邊緣清晰且更細(xì)，所采用仿真方法是基于Modelsim平臺(tái)使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行的，是一種驗(yàn)證FPGA上圖像算法性能的新方法。

關(guān)鍵詞： Canny算法； FPGA仿真； Modelsim； 邊界細(xì)化

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0011?04

An improved Canny algorithm and its simulation verification

FU Bo?yan， LU Zhen?yang， BAI Li?lai， CHEN Yu， LIU Jia

（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： In order to improve an image edge detection effect of Canny algorithm and be applied to FPGA platform， a improved Canny algorithm is proposed in this paper. The algorithm was realized with C language on computer. The fixed?point processing for the improved Canny algorithm was performed. It is described with Verilog HDL. The simulation experiment was conducted by a co?simulating method which associates Matlab with Modelsim to assess the performance of the algorithm on FPGA. The result shows that the edges detected by the improved algorithm are more clear and thin. The co?simulating method is based on Modelsim， and Verilog HDL. Its a new method for verifying image processing algorithm on FPGA.

Keywords： Canny algorithm； FPGA simulation； Modelsim； edge thinning

邊緣檢測(cè)技術(shù)在特征提取、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。常用的邊緣檢測(cè)算法有Sobel算法、Robert算法、Prewitt算法、Canny算法等。其中Canny算法是由John F. Canny于1986年提出，是一種經(jīng)典的邊緣檢測(cè)算法[1]，具有信噪比大，檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。Canny算法也存在一些缺點(diǎn)，研究人員提出多種改進(jìn)方法[2?5]，包括修改平滑方法，優(yōu)化閾值選取等。本文提出一種改進(jìn)的Canny算法并編程實(shí)現(xiàn)；提出一種方法用于對(duì)FPGA平臺(tái)下的圖像算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)改進(jìn)的Canny算法進(jìn)行仿真，結(jié)果證明了改進(jìn)Canny算法的有效性。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 經(jīng)典Canny算法

經(jīng)典Canny算法可以分為4步：

（1） 平滑圖像。利用二維高斯函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性和可分解性，很容易求出高斯函數(shù)在任意方向的方向倒數(shù)與圖像的卷積。因此對(duì)于二維情況，容易求出適用于各類(lèi)型邊界的邊界檢測(cè)算子，Canny算法實(shí)際上是用高斯函數(shù)與圖像卷積，然后求梯度[6]，根據(jù)梯度的幅值和相位進(jìn)一步判斷邊緣。所選二維高斯函數(shù)為：

[G（x，y）=e（-x2+y22σ2）2πσ2] （1）

式中：σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，決定高斯函數(shù)的平滑程度，高斯函數(shù)的平滑程度與其成正比。

（2） 計(jì)算梯度的幅值和方向。設(shè)原圖像為f（x，y），采用2×2領(lǐng)域內(nèi)一階偏導(dǎo)數(shù)的有限差分計(jì)算經(jīng)平滑后圖像P（x，y）的幅值D（x，y）：

[D（x，y）=?[G（x，y）*f（x，y）]=[（?G?x*f）2+（?G?y*f）2]12] （2）

方向V（x，y）為：

[V（x，y）=arctan（Py（x，y）Px（x，y））=?G?y*f?G?x*f] （3）

（3） 對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制。當(dāng)某點(diǎn)的幅值大于該點(diǎn)梯度方向上的兩個(gè)相鄰像素的幅值，則認(rèn)定該點(diǎn)為邊界點(diǎn)[6]。

（4） 雙閾值方法檢測(cè)并連接邊緣。根據(jù)高低閾值，認(rèn)定所有灰度大于高閾值的點(diǎn)為邊緣點(diǎn)；灰度在高低閾值之間的點(diǎn)，如果周?chē)写笥诟唛撝档南袼貏t認(rèn)定該點(diǎn)也是邊緣點(diǎn)；灰度小于低閾值的點(diǎn)不是邊緣點(diǎn)[7]。

1.2 Canny算法的缺點(diǎn)

Canny算法在2×2鄰域內(nèi)計(jì)算梯度和幅值，容易檢測(cè)出孤立邊緣點(diǎn)和偽邊緣[4]。Canny算法對(duì)閾值選取比較敏感，如果Canny算子的高閾值選取過(guò)大，則會(huì)丟失灰度值變化較小的邊緣，閾值選取過(guò)小則會(huì)造成細(xì)節(jié)過(guò)多，增加偽邊緣數(shù)目[5]。