专利名称：一种基于fpga控制核心的图像采集及处理方法
技术领域：
本发明属于图像采集及处理领域，具体涉及ー种基于FPGA为控制核心的图像采集及Canny边缘检测处理方法，能够方便的对目标物体实时采集、实时边缘检测处理。
背景技术：
图像采集及处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，并对所捕获的图像按照需要进行实时处理，也就是用设备来实现对客观世界的识别。随着图像采集处理技术的发展，图像采集及处理系统在很多领域内的很多应用中起着越来越重要的作用，例如，远程监控、エ业控制、医疗器械、图像模式识别等领域。图像采集处理系统大部分均采用实时图像采集技木，实时图像采集在现代社会中占有非常重要的地位。日常生活中所见到的数码相机、可视电话、多媒体IP电话和电话会议等产品中，实时图像采集是最核心的技木。图像采集的速度、质量直接影响到产品的整体效果。众所周知，图像数字化后数据量非常庞大，对如此大量高速的数据进行实时处理是计算机应用领域中技术难度最大的部分。传统的图像采集及处理系统是应用摄像头采集图像，然后传输到计算机之后应用计算机软件进行处理，由于计算机体积庞大，连接复杂，尤其是在エ业现场等空间狭小场合应用时犹为不方便，这种图像采集处理方案在应用时有不可避免的缺点。随着电子技术发展的日新月异，电子产品朝着小型化、集成化发展，越来越多的应用场合都要求图像处理设备体积要小，应用要方便。这就对图像采集处理系统的开发提出了更高的要求。随着嵌入式系统技术的不断发展，数字电路系统集成度和运算能力越来越高，使得图像采集和处理设备小型化、实用化成为可能。现在主流的小型图像采集和处理设备是以数字信号处理器(DSP)为控制核心。虽然DSP能够快速实现各种数字信号处理算法，但本质上来说，DSP并没有摆脱传统的CPU顺序执行指令的工作模式，而且只是对某些固定的运算提供硬件优化，而这些具有针对性的优化并不能满足众多图像处理算法的需求，这使得DSP在图像处理领域的使用受到的了制約。可编程片上系统(SOPC, System on Programmable Chip)技术的出现使得高效的实现实时图像采集处理成为可能，SOPC技术是ー种基于现场可编程门阵列的嵌入式技木。现场可编程门阵列(FPGA, Field Programmable Gate Array)器件是当今应用极为广泛的可编程器件，应用FPGA时，用户可以用硬件描述语言方便地设计出所需的硬件逻辑，并且可以进行重复编程和动态系统重构，因此，可以进行灵活方便的开发和更新。FPGA能实现硬件并行和流水线技术。在FPGA中嵌入IP软核可以构成SOPC系统。SOPC系统能够实现并行和串行同时处理，因此，在系统在较低的主频下也能获得较高的算法处理速度。作为实时图像采集和处理的一种新的解决方案，SOPC技术能够满足图像采集处理设备小型化、高效性的需求，可以说，SOPC技术必将成为未来嵌入式图像采集处理技术的发展方向。边缘是重要的图像特征，包含着大量的图像信息，是对图像中目标提取的重要依据。本质上来说，边缘是图像局部特性不连续性的反映，比如灰度突变或颜色突变等。边缘往往包含着我们在图像处理时所感兴趣目标的重要特征，为我们描述或识别目标提供了重要的依据。因此，对目标物体进行边缘检测具有十分重要的意义。经典的图像边缘检测算法大多是利用图像边缘的突变特性来检测边缘。传统边缘检测算法一般是在空间域对图像进行运算，即直接对图像像素进行相关操作。传统的图像边缘检测算法主要包括两种类型一种是以一阶导数或ニ阶导数为基础的微分算子，常用的微分算子有Roberts算子，Sobel算子，Prewitt算子，LOG算子等；另外ー种是1986年John Canny提出的Canny边缘检测算法。Canny算法是ー个非常经典的算法,其在图像去噪和边缘细节的保留上取得了较好的平衡，因此，Canny算法具有较好的信噪比和检测精度，能够检测出较细的边缘。Canny边缘检测算子在图像处理领域已经取得了广泛的应用。Canny边缘检测主要包含以下几个步骤(I)高斯滤波器平滑图像。Canny算子首先采用ニ维高斯函数对图像进行平滑。
权利要求
1.一种基于FPGA为控制核心的图像及采集处理方法，该方法主要是在FPGA芯片上构建实现图像采集和Canny边缘检测处理的SOPC系统，该系统包括Nios II软核处理器模块、CMOS图像传感控制器模块、FIFO控制器模块、SDRAM控制器模块、Canny边缘检测算法模块、VGA控制器模块。图像采集及Canny边缘检测处理系统实现包括四个步骤(I)图像采集并缓存至FIFO ； (2)通过Nios II处理器软件控制将FIFO中的图像数据传送到片外SDRAM芯片进行存储；(3)将SDRAM存储器中的图像通过Canny边缘检测算法IP核进行处理，处理过程实现“乒乓操作”，处理后的图像再次存储到SDRAM ； (4)将获得的存储于SDRAM中的边缘图像通过VGA接口将处理后的图像进行显示。本发明特征在于(1)构建SOPC系统实现图像采集及Canny边缘检测处理，并将处理结果在显示器上显示。(2)将Canny边缘检测算法用硬件描述语言设计成IP核嵌入到SOPC系统，利用硬件描述语言并行执行指令的优势，在FPGA上实现Canny边缘检测算法的并行计算，从根本上提高了算法的执行速度，达到“实时采集、实时处理”的效果；(3)Canny算法边缘检测后的图像通过VGA接口进行显示，能够实时对处理效果进行监控，监控效果可以作为算法优劣的评判标准，为进一步实现算法优化做铺垫。
2.根据权利要求I所述的一种基于FPGA为控制核心的图像采集及处理方法，其特征在于在SOPC系统上实现Canny边缘检测算子，Canny算子是一个非常经典的边缘检测算法，具有较好的信噪比和检测精度，能够检测出较细的边缘。
3.根据权利要求I所述的一种基于FPGA为控制核心的图像采集及处理方法，其特征在于将Canny边缘检测算子设计成IP软核，其信号接口符合Avalon总线规范。
全文摘要
本发明属于图像采集处理领域，具体涉及一种基于FPGA为控制核心的图像采集及处理方法。该方法主要是构建图像采集和处理SOPC系统，该系统包括Nios II软核处理器模块、CMOS图像传感控制器模块、FIFO控制器模块、SDRAM控制器模块、Canny边缘检测算法模块、VGA控制器模块。首先图像采集完成后缓存至FIFO，然后通过FPGA软件控制将FIFO中的图像数据传送到片外SDRAM芯片进行存储，再次将存储器中的图像图像处理算法进行处理，处理过程实现“乒乓操作”，处理后的图像再次存储到SDRAM。最后将获得的边缘图像通过VGA接口将处理后的图像进行显示。
文档编号G06T7/00GK102663758SQ20121011875
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者刘嘉, 卢振洋, 路文超, 陈雨 申请人:北京工业大学