基于FPGA的低照度圖像采集與處理系統(tǒng)研究

柳 磊，錢蕓生

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

基于FPGA的低照度圖像采集與處理系統(tǒng)研究

柳 磊，錢蕓生

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

針對(duì)低照度圖像亮度低、噪聲高和邊緣模糊等問題，基于Xilinx公司的Artix-7系列FPGA芯片，通過驅(qū)動(dòng)微光性能良好的XQE-1310圖像傳感器，對(duì)探測(cè)器采集的視頻信號(hào)進(jìn)行濾波和邊緣檢測(cè)，完成了低照度圖像的采集和處理等一系列操作，最后將處理過的視頻信號(hào)通過CameraLink視頻格式實(shí)時(shí)顯示，設(shè)計(jì)了一套微光夜視系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的最低工作照度可達(dá)10－2lx量級(jí)，濾波算法在保持圖像邊緣信息的同時(shí)有效濾除了圖像中的椒鹽噪聲，自適應(yīng)邊緣檢測(cè)算法可以根據(jù)照度水平實(shí)時(shí)調(diào)整閾值，凸顯了低照度環(huán)境下物體的輪廓信息。系統(tǒng)充分利用了FPGA（Field Programmable Gate Array）速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)，最后的成像結(jié)果清晰穩(wěn)定，便于人眼觀察。

低照度圖像；濾波；邊緣檢測(cè)；FPGA

0 引言

良好的光照環(huán)境是獲得高質(zhì)量圖像的基礎(chǔ)，然而在實(shí)際生活中存在陰雨天氣、夜晚等光照不足的情況。與可見光圖像相比，低照度視頻圖像中的灰度值總體偏小，各個(gè)相鄰像素間的相關(guān)性大，輪廓等邊緣像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值與非邊緣的鄰域像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值差異小，且還具有信噪比低等缺點(diǎn)[1]。因此，在低照度環(huán)境下，可以借助微光夜視器件來采集視頻圖像以供人眼觀察。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器問世于20世紀(jì)60年代末，與CCD器件相比，具有高集成、低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、監(jiān)控、航空和航天等諸多領(lǐng)域。目前，國(guó)際上致力于低照度CMOS芯片研發(fā)的公司包括SONY、PHOTONIS、SiOnyx等公司，國(guó)內(nèi)的銳芯微電子有限公司和長(zhǎng)春長(zhǎng)光辰芯光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的超低照度CMOS圖像傳感器成像效果也已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

本文以Xilinx公司的Artix-7系列FPGA為主控芯片，結(jié)合其運(yùn)行速度快、編程靈活等特點(diǎn)，基于SiOnyx公司生產(chǎn)的XQE-1310型CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)了一套微光夜視系統(tǒng)，對(duì)探測(cè)器輸出的分辨率為1280×1024×12bits的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、去噪和邊緣檢測(cè)處理，實(shí)現(xiàn)在照度為10－2lx量級(jí)的環(huán)境下清晰成像，同時(shí)能根據(jù)圖像總體灰度值自適應(yīng)地檢測(cè)出物體邊緣，對(duì)低照度探測(cè)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 微光夜視系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的微光夜視系統(tǒng)以FPGA控制器為核心，包括了探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、圖像采集、處理和顯示模塊[2]，總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

該系統(tǒng)使用XQE-1310芯片采集圖像，其有效像素陣列為1280×1024，經(jīng)測(cè)試，該芯片的最低成像照度在10－2lx量級(jí)，具有良好的低照度性能。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先由IIC驅(qū)動(dòng)模塊配置圖像傳感器芯片內(nèi)部寄存器來設(shè)置芯片工作模式，寄存器配置完成后，傳感器會(huì)輸出85MHz時(shí)鐘、圖像數(shù)據(jù)和兩個(gè)同步信號(hào)，這些信號(hào)被FPGA接收，再通過去噪和邊緣檢測(cè)處理模塊之后，輸出到顯示模塊進(jìn)行編碼，最后由CameraLink接口傳輸?shù)讲杉∣R-X1C0-XLB00，經(jīng)過采集卡解碼后實(shí)時(shí)顯示在其配套軟件上。系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，模塊之間的流水線操作不僅可以節(jié)約資源，還增加了數(shù)據(jù)吞吐量，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，以達(dá)到最高的實(shí)時(shí)性。

圖1 微光夜視系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

2.1 IIC驅(qū)動(dòng)模塊

傳感器通過兩線通信接口與外部主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。低層協(xié)議遵循標(biāo)準(zhǔn)IIC協(xié)議，高級(jí)協(xié)議使用7位從機(jī)地址、16位索引地址和16位數(shù)據(jù)字。IIC總線的時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 IIC寫操作時(shí)序圖

本文使用Xilinx公司的嵌入式軟核Microblaze對(duì)通用模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)用I2C_Write_16BitReg_ Address_2ByteData函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入，其中將7位器件地址、1位讀寫判斷、16位寄存器地址和16位寄存器數(shù)據(jù)設(shè)置為可修改參數(shù)，方便在實(shí)際工作時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，同時(shí)保證代碼的可讀性和可維護(hù)性。測(cè)試時(shí)，芯片從機(jī)地址為0x6C，對(duì)地址0x0003寫入數(shù)據(jù)0x0001后再讀出，使用示波器在芯片對(duì)應(yīng)管腳上采集信號(hào)，如圖3所示，上半部分波形為SDA，下半部分波形為SCL，從波形圖中可以看出芯片對(duì)于寫入的數(shù)據(jù)可以正確讀出，因此可以對(duì)芯片進(jìn)行內(nèi)部寄存器配置。

圖3 IIC測(cè)試時(shí)序信號(hào)

2.2 去噪模塊

由于低照度圖像存在噪聲大的問題，為了提高圖像信噪比，同時(shí)盡可能減少噪聲對(duì)邊緣檢測(cè)結(jié)果的影響，所以必須先對(duì)圖像進(jìn)行去噪以防止由于噪聲而引起錯(cuò)誤的檢測(cè)。為了在去除噪聲的同時(shí)還能保持圖像邊緣信息，本文使用中值濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，該步驟將去除圖像中的突發(fā)噪聲，同時(shí)減少噪聲對(duì)邊緣檢測(cè)的影響。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，其核心是選取3×3結(jié)構(gòu)的二維滑動(dòng)模板，將模板內(nèi)的像素進(jìn)行從大到小排序后，選取中間值來代替模板中心的像素值[3]。

中值濾波的硬件實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示。

生成3×3窗口的方式是使用一個(gè)真雙口RAM用于行數(shù)據(jù)緩存。真雙口RAM是Xilinx公司通用IP核，具有A、B兩組輸入輸出端口。由于探測(cè)器輸出的圖像分辨率為1280×1024，因此一行數(shù)據(jù)有1280個(gè)，為避免兩個(gè)端口地址重合導(dǎo)致數(shù)據(jù)被覆蓋，將端口A的地址規(guī)定在0～2047，端口B的地址規(guī)定在2048～4095，選擇Read First Mode，那么針對(duì)輸入地址，每次先將該地址上的數(shù)據(jù)讀出，再將輸入數(shù)據(jù)寫入該地址。將端口A的輸出數(shù)據(jù)輸入到端口B，則B端口的輸出數(shù)據(jù)相比于A端口的輸出數(shù)據(jù)延遲了一行，端口A的輸出數(shù)據(jù)相比于當(dāng)前數(shù)據(jù)也延遲了一行，那么兩個(gè)端口輸出的數(shù)據(jù)與當(dāng)前的圖像數(shù)據(jù)即可組成矩陣的3行；由于下一列數(shù)據(jù)與當(dāng)前列數(shù)據(jù)相比慢了一個(gè)時(shí)鐘周期，因此使用寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打拍延時(shí)處理就可以劃分出矩陣的3列，其仿真波形如圖5所示。

排序步驟如下所示：

1）對(duì)矩陣的每一列劃分出最大值data_max、中間值data_mid和最小值data_min；

2）在3個(gè)最大值之間劃分出最小值data_min_ in_max，在3個(gè)中間值之間劃分出中間值data_mid_ in_mid，在3個(gè)最小值之間劃分出最大值data_max_ in_min；

3）在data_min_in_max、data_mid_in_mid和data_ max_in_min三個(gè)數(shù)據(jù)之間求取中值，求得的數(shù)據(jù)即為該3×3矩陣的中間值[4]。

在排序完成后，利用軟件自帶的仿真工具進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)，從數(shù)據(jù)輸入到排序完成共耗時(shí)4個(gè)時(shí)鐘周期，因此對(duì)同步信號(hào)延時(shí)4個(gè)時(shí)鐘周期，使其與數(shù)據(jù)對(duì)齊。在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，還需保留每一幀圖像的邊界，即保留圖像的第一行、最后一行、第一列和最后一列數(shù)據(jù)。

使用MATLAB對(duì)一幅圖像添加椒鹽噪聲，通過其自帶的中值濾波函數(shù)和FPGA對(duì)于噪聲圖像進(jìn)行中值濾波的對(duì)比效果如圖6所示。

從圖6中可以看出，中值濾波算法能有效去除圖像中的椒鹽噪聲；根據(jù)文獻(xiàn)[5]，使用歸一化均方誤差（normalized mean squared error，NMSE）和峰值信噪比（peak signal to noise ratio，PSNR）作為評(píng)價(jià)濾波效果的客觀指標(biāo)，分別計(jì)算出MATLAB和FPGA濾波后的圖像的NMSE和PSNR如表1所示，從表中可以看出硬件實(shí)現(xiàn)的中值濾波算法與仿真效果相差不大。

圖4 中值濾波流程圖

圖5 3×3窗口仿真波形

表1 軟件和硬件中值濾波算法結(jié)果比較

2.3 邊緣檢測(cè)模塊

圖像邊緣是指周圍像素灰度值有階躍變化或屋頂變化的像素點(diǎn)集合，反映了圖像灰度的不連續(xù)性[6]。邊緣檢測(cè)是圖像處理中非常重要的研究領(lǐng)域，其效果好壞將會(huì)對(duì)后續(xù)處理的準(zhǔn)確性與難易程度有直接影響?；谝浑A導(dǎo)數(shù)的邊緣檢測(cè)算法是目前應(yīng)用最廣泛的邊緣檢測(cè)方法，本文基于經(jīng)典的Sobel檢測(cè)算法對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。將原始圖像進(jìn)行濾波后得到圖像(,)，其梯度值可利用2個(gè)3×3模板與選定的二維圖像中同樣大小區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積而得到。將梯度值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若所得結(jié)果大于設(shè)定的閾值，該區(qū)域即處于圖像邊緣，將矩陣中心的灰度值用全1表示；若所得結(jié)果小于設(shè)定的閾值，將矩陣中心的灰度值用全0表示，即梯度值的閾值抑制。對(duì)于應(yīng)用的場(chǎng)景不同，圖像的灰度值與梯度值也不同，因此針對(duì)不同的環(huán)境照度需要設(shè)置不同的閾值[7]。本文針對(duì)輸入圖像的灰度值，自動(dòng)選取前一幀圖像的梯度均值作為當(dāng)前幀圖像的梯度閾值。最后，使用模板[1,1]對(duì)檢測(cè)后的二值圖像進(jìn)行腐蝕操作，以此來消除檢測(cè)得到的孤立點(diǎn)并細(xì)化邊緣。Sobel邊緣檢測(cè)的流程如圖7所示。

復(fù)用3×3矩陣模塊，將中值濾波模塊的輸出數(shù)據(jù)連接到該模塊的輸入，將矩陣輸出的數(shù)據(jù)與Sobel算子進(jìn)行卷積，求取圖像的水平梯度G和垂直梯度G[8]。卷積模板如圖8所示。

圖7 邊緣檢測(cè)流程圖

圖8 Sobel算子卷積模板

G和G計(jì)算公式為：

在計(jì)算時(shí)需加入判斷，使得G和G均為正整數(shù)。梯度的平方2的計(jì)算公式為：

為減少計(jì)算量節(jié)約資源，使用梯度的平方來代替梯度值。

當(dāng)梯度計(jì)算出來以后，使用sum_of_grad寄存器計(jì)算一幀圖像的梯度總值，在每幀圖像的最后把該幀圖像的梯度均值mean_of_grad賦值給梯度閾值tres_of_grad，梯度閾值只在每一幀的開始改變一次。數(shù)據(jù)輸出前，將當(dāng)前的梯度與計(jì)算出的閾值進(jìn)行比較，若梯度大于閾值，那么就認(rèn)為該點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，用白色（全1）表示，如果梯度小于閾值，那么就認(rèn)為該點(diǎn)是平滑的點(diǎn)，用黑色（全0）表示[9-10]。

最后，使用寄存器edge_pre對(duì)當(dāng)前梯度edge_of_matrix進(jìn)行打拍處理，之后比較兩者，若均為全1則保留檢測(cè)結(jié)果，否則將edge_of_matrix賦值為0，該操作可以去除一部分檢測(cè)出的孤立點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到水平方向細(xì)化邊緣的效果。

使用MATLAB自帶的邊緣檢測(cè)函數(shù)和FPGA對(duì)于一幅靜態(tài)圖像邊緣檢測(cè)處理結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，基于FPGA的邊緣檢測(cè)算法能有效提取出圖像的邊緣；根據(jù)文獻(xiàn)[11]，Abdou-Pratt提出的邊緣檢測(cè)性能品質(zhì)公式可以客觀評(píng)價(jià)邊緣檢測(cè)算法效果，但是由于缺乏圖像實(shí)際的邊緣信息，故使用手工提取的邊緣代替[12]，MATLAB計(jì)算得到其自帶算法處理結(jié)果圖的Pratt品質(zhì)因數(shù)為0.3318，F(xiàn)PGA邊緣檢測(cè)結(jié)果圖的Pratt品質(zhì)因數(shù)為0.1240，可見在邊緣檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)上硬件處理尚有不足。通過對(duì)比分析，得出上述現(xiàn)象的原因是二者在判斷邊緣時(shí)選用的閾值不同，后續(xù)可通過軟件擬合出圖像梯度與最佳閾值的關(guān)系來改進(jìn)算法。

圖9 靜態(tài)圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果顯示

2.4 顯示模塊

Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用的通信接口，它是由Channel Link技術(shù)擴(kuò)展而來。Channel Link的操作如圖10所示。

Channel Link由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器對(duì)組成。該驅(qū)動(dòng)器接受28個(gè)單端數(shù)據(jù)信號(hào)和一個(gè)單端時(shí)鐘，其中數(shù)據(jù)按照7:1的比例串行化為4組LVDS數(shù)據(jù)流，4組數(shù)據(jù)流和一個(gè)專用時(shí)鐘在5個(gè)LVDS對(duì)上驅(qū)動(dòng)；接收器接收4個(gè)LVDS數(shù)據(jù)流和LVDS時(shí)鐘，然后驅(qū)動(dòng)28位數(shù)據(jù)和一個(gè)時(shí)鐘到主板[11]。

顯示模塊基于Base型結(jié)構(gòu)的Camera Link傳輸模式，將12位圖像數(shù)據(jù)、場(chǎng)同步、行同步和數(shù)據(jù)有效信號(hào)分配到各個(gè)端口，這些信號(hào)被FPGA發(fā)送到DS90CR285芯片后被轉(zhuǎn)換為4組LVDS數(shù)據(jù)流，鎖相環(huán)時(shí)鐘通過第5條LVDS鏈路與數(shù)據(jù)流并行發(fā)送。這5路LVDS信號(hào)通過連線傳輸?shù)讲杉ㄉ希徊杉ㄉ系慕邮掌餍酒獯a后顯示在其配套軟件上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，成像時(shí)的環(huán)境照度為5×10－2lx，距離為5m，設(shè)置芯片的曝光時(shí)間為143ms。

圖11(a)為探測(cè)器采集到的原始圖像，從圖中可以看出，在當(dāng)前照度環(huán)境下可以辨認(rèn)出圖中的字跡，但是由于探測(cè)器自身缺陷等問題，肉眼可見有許多突發(fā)的鹽粒噪聲。圖(b)為添加去噪算法后的圖像，可以看出原圖中的噪聲被有效濾除了，同時(shí)由于中值濾波是非線性濾波，物體的邊緣沒有受到太多影響。圖(c)為添加邊緣檢測(cè)算法后的圖像，該算法可以將字跡的邊緣提取出來，并且由于算法對(duì)圖像進(jìn)行了二值化處理，因此物體的輪廓更易被識(shí)別，但是同時(shí)灰度跨度較大的非邊緣點(diǎn)也會(huì)被檢測(cè)出來。

在圖像處理的速度上，本系統(tǒng)的工作頻率為85MHz，針對(duì)分辨率為1280×1024的12位圖像進(jìn)行處理時(shí)，根據(jù)圖12所示的仿真波形可以看出，F(xiàn)PGA處理一幀圖像的總時(shí)間約為23ms。

使用MATLAB軟件“運(yùn)行并計(jì)時(shí)”功能記錄對(duì)一幀分辨率同為1280×1024的靜態(tài)圖像進(jìn)行濾波和邊緣檢測(cè)處理，MATLAB處理一幀圖像的總時(shí)間為658ms，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于FPGA，由此可見，F(xiàn)PGA在圖像處理方面有極大的速度優(yōu)勢(shì)。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖12 FPGA中值濾波和邊緣檢測(cè)模塊仿真波形

4 結(jié)論

通過分析低照度圖像的特點(diǎn)，基于FPGA設(shè)計(jì)了低照度環(huán)境下的視頻采集與處理系統(tǒng)。首先，F(xiàn)PGA通過IIC總線配置CMOS圖像傳感器內(nèi)部寄存器驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行圖像采集；接著，F(xiàn)PGA對(duì)接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波來降低圖像噪聲，并通過改進(jìn)的Sobel邊緣檢測(cè)算法提取出邊緣使得物體的輪廓更易被識(shí)別；最后，將處理過的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后通過Camera Link接口傳輸?shù)讲杉?，由采集卡解碼并顯示。在此過程中，充分利用FPGA的并行處理特性，模塊之間采用流水線設(shè)計(jì)，在節(jié)約硬件資源的同時(shí)大幅提升了處理速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，成像系統(tǒng)在5×10－2lx照度環(huán)境下可獲得清晰的圖像，且能凸顯出物體輪廓信息。經(jīng)過對(duì)圖像算法的量化對(duì)比分析，本文通過FPGA實(shí)現(xiàn)的中值濾波算法與軟件仿真的效果相仿，但是邊緣檢測(cè)算法與仿真效果稍有差距，說明在自適應(yīng)平臺(tái)閾值的設(shè)置方法上有待改進(jìn)。

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A Low Illumination Image Acquisition and Processing System Based on FPGA

LIU Lei，QIAN Yunsheng

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In terms of the problems of low brightness, high noise and blurred edges in low-illumination images, based on Xilinx's Artix-7 series FPGA chip, the XQE-1310 image sensor with good low-light performance is driven to filter and edge the video signal collected by the detector. After the detection, a series of operations such as acquisition and processing of low-light images were completed, and the processed video signals were displayed in real time through the CameraLink video format. Finally, a low-light night vision system was designed. The experimental results show that the minimum working illuminance of the system can reach the order of 10-2lx. The filtering algorithm can effectively filter the salt and pepper noise in the image while maintaining the edge information of the image. The adaptive edge detection algorithm can adjust the threshold in real time according to the illuminance level. It highlights the contour information of objects in low-light environments. The system makes full use of the advantages of fast speed and high efficiency of FPGA (Field Programmable Gate Array), and the final imaging result is clear and stable, which is convenient for human eyes to observe.

low-illumination image, filter, edge detection, FPGA

TN223

A

1001-8891(2022)05-0462-07

2021-06-17；

2021-09-23.

柳磊（1996-），女，碩士研究生，主要從事光電成像科研工作。E-mail：liulei00000416@163.com。

錢蕓生（1968-），男，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事光電測(cè)試、圖像處理和仿真等工作。E-mail：yshqian2015@163.com。

國(guó)防科技微光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金。