一种基于fpga的颜色目标检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于目标实时检测与跟踪领域，具体涉及一种基于FPGA的颜色目标检测 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 机器视觉是一口应用计算机技术模拟人和生物视觉的科学，利用机器人代替人眼 来进行测量和判断目标.其中视觉跟踪是机器视觉的一个重要分支。
[0003] 在视觉跟踪中，首要的工作就是使用视觉系统进行目标检测，只有在正确确认目 标的基础上才能够检测和跟踪目标，目标检测过程就是图像分析处理的过程，选择合适的 图像处理方法可W提高目标检测的实时性和鲁棒性。
[0004] 现有的颜色目标实时检测方法主要是基于PC和摄像头体系的颜色区域目标检测 方法和基于嵌入式颜色区域目标检测方法。基于PC和摄像头体系的颜色区域目标检测方 法是将摄像头接入到PC机中，然后在MicrosoftVisualStudio等纯软件环境下进行目 标检测，但是送种检测方法需要购买与相机配套的采集卡，价格昂贵，且因为是纯软件环 境，图像处理速度十分缓慢，达不到实时性的要求；基于嵌入式颜色区域目标检测方法有在 ARM,MCU和FPGA中实现的，基于FPGA嵌入式的颜色区域目标检测方法使用了NiosII嵌入 式中央处理器，算法运行速度较慢。送些传统的方法由于受到PC机性能及数字信号处理芯 片性能的制约，在彩色图像处理能力上大多只能完成30万像素图像的准实时处理，无法实 时处理更高分辨的图像。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于FPGA的颜色目标检测系统及方法，能够对高分 辨率的图像实时地检测出带有颜色特征信息的目标，并将其分割出来，从而进行目标跟踪 等后续的处理。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA的颜色目标实时检测系统，包 括Bayer信号接收模块；Bayer格式插值转RGB模块；R、G、BΗ路颜色分量相加模块；R、G、 ΒΗ路颜色分量左移模块；除法模块；颜色判定及二值化目标模块；上述模块均在FPGA中 实现。
[0007] 本发明还提供一种基于FPGA的颜色目标检测方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤一、根据图像中待分割目标的颜色，设定待分割区域每个像素是否属于该颜 色的R、G、BΗ路颜色分量占颜色总量比例的判定阔值；
[0009] 步骤二、将Bayer格式的图像转化为RGB格式的图像；
[0010] 步骤H、提取RGB格式的图像中R、G、BΗ路颜色分量，将R、G、BΗ路颜色分量相 加后获得每个像素的颜色总量，然后分别对R、G、BΗ路颜色分量左移Ν位，Ν的取值范围在 4到32之间，获得将R、G、ΒΗ路颜色分量扩大2的Ν次方倍后的分量值^、技、畏；
[0011] 步骤四：计算覆、窃、忍分量分别占颜色总量的比例；
[0012] 步骤五：将步骤一设定的判定阔值扩大2的N次方倍，然后判断哀、窃、玄Η路颜 色分量占颜色总量的比例是否满足扩大2的Ν次方倍后的颜色阔值判断条件，如果满足，贝U将该像素赋值为1，如果不满足则将该像素赋值为0,获得待跟踪目标所属区域的二值化图 像，供目标跟踪后续的处理。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于；（1)本发明可W处理的带宽可达Gpbs W上，在高分辨率高顿频图像处理中具有显著优势；(2)本发明在FPGA中脱离NiosII嵌入 式中央处理器，采用纯硬件逻辑，处理速度可达60巧SW上，具有很强的实时性实现了颜色 区域目标的检测；（3)本发明将颜色各分量占颜色总量的比例设为阔值，使得判别颜色的 条件更加充分，从而达到更为精确的效果。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明一种基于FPGA的颜色目标检测系统结构示意图。
[0015] 图2是本发明一种基于FPGA的颜色目标检测方法流程图。
[0016] 图3是Bayer图像格式示意图。
[0017] 图4是Bayer格式图像中R、G、B分量存在的四种组合方式示意图。
[0018] 图5是本发明仿真实验中作为检测对象的图像。
[0019] 图6是本发明仿真实验中获得的检测结果图像。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示，本发明一种基于FPGA的颜色目标检测系统，包括Bayer信号接收模 块；Bayer格式插值转RGB模块；R、G、BΗ路颜色分量相加模块；R、G、BΗ路颜色分量左移模 块；除法模块；颜色判定及二值化目标模块；上述模块均在FPGA中实现。FPGA固有的可重 复编程性，使得本发明系统硬件的功能可W像软件一样灵活而方便地编程配置，而且不仅 可W提升系统的处理速度，保障算法的高效运行，还可W减小系统体积，便于应用和普及。
[0021]Bayer信号接收模块，用于接收Bayer格式的图像信号，然后将Bayer格式的图像 信号送入Bayer格式插值转RGB模块；
[0022] Bayer格式插值转GRB模块用于将Bayer格式的图像转换为RGB格式的图像，并提 取RGB格式图像中每个像素的R路颜色分量、G路颜色分量和B路颜色分量，然后将R、G、B Η路颜色分量分别同时送入R、G、BΗ路颜色分量相加模块和R、G、B颜色分量左移模块；
[0023]R、G、ΒΗ路颜色分量相加模块用于计算R、G、ΒΗ路颜色分量的总量，然后将颜色 总量发送给除法模块；
[0024]R、G、Β颜色分量左移模块用于将R、G、ΒΗ路颜色分量分别左移Ν位，Ν的取值范 围为4到32,获得将R、G、BΗ路颜色分量扩大2的Ν次方倍后的I.打、玄Η路颜色分量， 并将亮、窃、京Η路颜色分量发送到除法模块；
[00巧]除法模块用于计算每个像素的篡、浸、瑟Η路颜色分量各自占颜色总量的比值， 并将比值发送给颜色判定模块；
[0026] 颜色判定及二值化目标模块将每个像素的颜色分量值占颜色总量的比值与预先 设定的目标颜色判定阔值条件进行比较，满足阔值条件的像素即为符合待跟踪目标颜色的 像素，也即该像素属于待跟踪目标区域内的像素，将该像素赋值为1 ;不满足阔值条件的像 素即为不符合待跟踪目标颜色的像素，也即该像素属于待跟踪目标区域W外的像素，将该 像素赋值为0,从而获得待跟踪目标所属区域的二值化图像，然后将二值化图像发送给后端 做目标跟踪处理。本方法巧妙地解决了FPGA中浮点运算难题，使得在颜色区域检测目标达 到更为精确的效果。
[0027] 如图2所示，本发明一种基于FPGA的颜色目标检测方法，包括W下步骤：
[0028] 步骤一、根据图像中待分割目标的颜色，设定待分割区域每个像素是否属于该颜 色的R、G、BΗ路颜色分量占颜色总量比例的判定阔值，例如：
[0029]当待分割目标的颜色为红色时，如果图像内某个像素的R、G、BΗ路颜色分量占颜 色总量比例满足如下阔值判断条件，则该像素为红色，即该像素属于待分割目标区域内的 像素，
[0030] 属于红色像素的阔值判断条件
[0031] 当待分割目标的颜色为绿色时，如果图像内某个像素的R、G、BΗ路颜色分量占颜 色总量比例满足如下阔值判断条件，则该像素为绿色，即该像素属于待分割目标区域内的 像素，
[0032] 属于绿色像素的阔值判断条件：
[0033] 当待分割目标的颜色为藍色时，如果图像内某个像素的R、G、BΗ路颜色分量占颜 色总量比例满足如下阔值判断条件，则该像素为藍色，即该像素属于待分
[0034] 属于绿色像素的阔值判断条件：
[003引其中，R、G、B分别为R、G、BS路颜色分量，r、g、b分别为R颜色分量、G颜色分量 或B颜色分量占R、G、B颜色总量的比值。
[0036] 步骤二、将Bayer格式的图像转化为RGB格式的图像，具体过程为：
[0037] 使用插值运算将Bayer格式的图像信号转化为RGB格式的图像信号，Bayer图像格 式如图3所示，在图3中，每个方格代表一个像素，且每个像素含有R、G、BΗ种分量的中的 一种，例如，奇数行的像素由R、G分量交替构成，偶数行的像素由G、B分量交替构成，其中G 分量占所有像素的一半，R分量和B分量共占所有像素的另一半，即G分量是R、B分量的2 倍。因此，将Bayer格式的图像转化为RGB格式的图像时，需要对G分量进行插值，将插值 运算后的R、G、B分量作为RGB格式图像的R、G、B颜色分量，从而将Bayer格式的图像格式 转化为RGB格式的图像。如图4所示，Bayer格式图像中，R、G、B分量存在四种组合方式， 四种组合方式分别对应四种插值计算方式。
[0038] 第一种情况为：第一行从左到右为R、G分量，第二行从左到右为G、B分量，该情况 对应的对右下角的第一个元素进行插值的方式如公式（1)所示，
[003引 B=B22,R二Rii,G=咕2+G21)/2 ; (1)
[0040] 第二种情况为：第一行从左到右为B、G分量，第二行从左到右为G、R分量，该情况 对应的对右下角的第一个元素进行插值的方式如公式（2)所示，
[0041] G= (