视频实时边缘检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及视频检测系统，尤其涉及一种视频实时边缘检测系统。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，视频采集系统越来越广泛的应用于各个领域，如体育直播、视频 会议、导弹的电视制导等等。而图像边缘是图像的基本特征之一，其中包含了很重要的边界 信息，送些信息是图像分析、目标识别的基础。在交通信息控制应用领域中，边缘检测已经 是车牌识别、车流量监控、自动导航等技术中的重要环节。通过有效的边缘检测，可W大大 简化后续图像处理过程对图像信息的分析工作。对于视频图像的边缘检测，若采用软件方 式实现由于受到系统处理速度的限制，容易出现断顿现象，送对于要求实时处理的情况下 将是一个很大的缺陷。硬件实现主要有基于专用芯片、基于DSP和基于FPGA的H种处理方 式。基于专用芯片方式并不适合前期产品的开发。基于DSP的方式在运算速度、数据吞吐 量等方面有限制。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种基于FPGA的视频实时边缘检测 系统，其利用FPGA良好的并行结构，使计算速率得到了很大的提升，达到了系统的实时性 要求。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括主控FPGA模块、摄像头、 SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连 接；其中主控FPGA模块包括I化配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘 检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I化总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的 数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFOJN模块在 SDRAM模块中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIF0_0UT模块读取数据并进行处理，VGA 控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。
[0005] 主控 FPGA 模块采用 EP4CE115F29CN7 型号。
[0006] 摄像头采用0V7670型号。
[0007] 本发明设计了一个基于FPGA的视频实时边缘检测系统，利用FPGA良好的并行结 构，使计算速率得到了很大的提升，达到了系统的实时性要求。实现了 VGA分辨率视频在液 晶屏上的彩色显示、灰度显示、边缘检测图像显示。该系统速度快，精度高，能够很好的应用 在目标识别、目标跟踪、智能视频监控等领域。
【附图说明】
[000引图1为系统整体结构框图；
[0009] 图2为I2C传输时序图；
[0010] 图3为数据采集时序仿真图；
[0011] 图4为Sobel梯度算子；
[0012] 图5为卷积硬件结构图；
[0013] 图6为Si即altap II抓取VGA时序图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明所要解决的技术问题是提出一种基于FPGA的视频实时边缘检测系统的设 计。
[0015] 一、系统的总体设计
[0016] 本系统基于一片Altera公司的切CloneIV系列EP4CE115F29CN7主控FPGA，系统 的整体结构框图如图1所示。主要包括：摄像头I2C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM 控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块。FPGA首先通过I2C总线完成对0V7670的 初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像 数据通过FIFOJN模块在SDRAM中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIF0_0UT模块读取 数据并进行处理，VGA控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。
[0017] 二、视频采集与边缘检测子模块 [001引 I化配置模块
[0019] 本系统采用OmniVision公司的0V7670送一款CMOS传感器，为系统提供视频信 号。通过SCCB(SerialCameraControlBus)总线对0V7670的共201个控制寄存器进行配 置，来改变输出数据的格式、视频分辨率、传输方式，调整图像的白平衡、饱和度、色度、伽玛 曲线等。两线制的SCCB总线与I化总线相同，都是双向两线制同步串行总线。！化传输时 序如图2所示，I 2C_S化K就等同于SCCB中的SI0C、I2C_SDAT就等同于SCCB中的SI0D，模 块每次传输24位数据，前8位为从设备地址（0x42代表写寄存器，0x43代表度寄存器），中 间8位是从设备寄存器地址，最后8位是对寄存器进行配置的数据。
[0020] 视频数据采集模块
[0021] 视频数据采集模块，主要是通过FPGA配合CMOS摄像头0V7670的行、场同步信号 采集图像数据。首先通过配置控制寄存器，控制0V7670输出视频数据为RGB565格式。因 为0V7670数据位宽为8,视频数据采集模块主要是将采集到的前后2个8位数据合并成一 个16位数据，W方便数据在SDRAM中的缓存W及后续模块的处理。如图3所示为数据采集 ModelSim时序仿真图。
[0022] SDRAM控制模块
[002引 SDRAM模块主要有FIFO和片外SDRAM两部分组成，因为CMOS摄像头0V7670采集的 数据速率和SDRAM读写速率是不一样的，为了匹配送两个不同传输速率的模块，其中必须 添加一个FIFO存储器。其中FIFO不需要单独通过语言描述得到，只需要通过MegaWizard 工具配置得到。本设计中用到的SDRAM为DE2-115开发板上的两个64M字节SDRAM，其中 每个SDRAM又包含4个BANK。SDRAM行地址线和列地址线是复用13位的地址总线，在读写 时，先要激活某个BANK,接着锁存行地址，最后在读写指令有效时锁存列地址。SDRAM的最 高读写速率可达到166MHz，本系统中应用为lOOMHz，同时每个时钟上升沿又可读写16bit 数据，因此SDRAM完全可W实现数据的无缝缓冲工作。
[0024] Sobel边缘检测模块
[0025] 图像边缘是一幅图像中灰度变化比较剧烈的区域，计算灰度图像中各区域的梯度 幅值可W用来判定图像的边缘信息。设图像的亮度为f(x，y)，则梯度可W定义如下：
[0026] 7▽巧X , y)寸/-(X , y>' ^, ,''/(X ? y}/ 叫叫/:<化，y),
[0027] 幅值为；I ▽ f (X，y) I = [f? (X，y)，f/ (X，y) ] 1"........................ (2)
[0028] 方向为：日=arctan [fy (X, y)/fx (X, y) ].................................... (3)
[0029] Sobel边缘检测便是是基于梯度的检测，其利用Sobel算子如图4所示Gx与Gy， 在3X3的图像邻域内和亮度数据做卷积运算，表达式如下：
[0032] 用硬件做边缘检测，由于是实时处理，SDRAM中缓存的数据只是连续视频图像中一 顿图像，而且视频数据还不停的从摄像头中传过来，因此就不能像软件处理郝样先建立一 个二维的数据阵列，送样就必须采用流水线方式进行运算，流水线数目和每次参加运算的 像素数目相等，送里就总共需要9条流水线。为此专口设计了 3Line_Buffer来完成式（4) 与式（5)的运算，3 条 Line_Buffer 由 MegaWizard 中配置的 altshift_t油完成，altshift_ t油实际上就是一个移位寄存器，因为视频分辨率为640 X 480像素，所W每条Line_Buffer 实际是向后移位一整行，也就是640个像素值。送样就等同于3条Line_Buffer中的数据 视频图像中相她邻的H行图像数据，送3行数据再与Sobel算子做卷积。如图5所示为卷 积运算硬件结构图，其中Pe - Pi为像素数据，Xg - Xi为Sobel梯度算子。乘法与并行加法 部分分别有 MegaWizard 配置的 altmult_add 和 parallel_add 完成。
[0033] VGA显示模块
[0034] VGA显示器的显示采用逐行扫描，从屏幕左上方开始，从左到右，从上到下扫描。每 一行的现实受到行同步信号（HRE巧控制，每一顿的信号受到场同步信号（VSYNC)控制。本 系统中CMOS摄像头采集图像分辨率为640X480像素，VGA化40X480)的工业标准为行扫 描；Ta (同步脉冲）=96, Tb (行消隐后肩）=40，Tc = 8, Td (有效时序）=640, Te = 80, Tf (行消隐前肩）=8, Tg(行周期）= 800;场扫描；Ta(同步脉冲）=2,町（场消隐 后肩）=25, Tc = 8, Td(有
[0035] 效时序）=480, Te = 8, Tf (场消隐前肩）=2, Tg(场周期）=525。图6为由 SignalTapII抓取的VGA时序图，其中最后一行数据为当前一顿视频所显示的行数统计。
【主权项】
1. 一种基于FPGA的视频实时边缘检测系统，其特征在于，包括主控FPGA模块、摄像头、 SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连 接；其中主控FPGA模块包括I 2C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘 检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I 2C总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的 数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIF0_IN模块在 SDRAM模块中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIF0_0UT模块读取数据并进行处理，VGA 控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。2. 根据权利要求1所述的基于FPGA的视频实时边缘检测系统，其特征在于，主控FPGA 模块采用EP4CE115F29CN7型号。3. 根据权利要求1所述的基于FPGA的视频实时边缘检测系统，其特征在于，摄像头采 用0V7670型号。
【专利摘要】本发明涉及视频检测系统，本发明的基于FPGA的视频实时边缘检测系统，包括主控FPGA模块、摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连接；其中主控FPGA模块包括I2C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I2C总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFO_IN模块在SDRAM模块中进行缓冲。本发明系统速度快，精度高，能够很好的应用在目标识别、目标跟踪、智能视频监控等领域。
【IPC分类】G06T7/20, H04N7/18
【公开号】CN105635648
【申请号】CN201410588321
【发明人】奚彩维, 黄志贤
【申请人】江苏绿扬电子仪器集团有限公司
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年10月28日