[发明专利]基于FPGA的单像素边缘检测方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于操作步骤如下：

A.对传输至FPGA的RGB空间视频信号首先经过RGB转灰度空间变换，得到一路灰度信号供后续处理；

B.对灰度图像依次进行快速中值滤波、边缘增强图像预处理操作，减小图像噪声影响并突出图像边缘部分，方便后续处理；

C.对得到的图像进行Canny边缘检测，经过Canny边缘检测算法的三部步操作后，得到边缘相对细致的视频图像；

D.最后对边缘图像进行形态学腐蚀运算操作，进一步细化边缘，最终获得单像素精度的边缘图像。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述步骤A的中RGB转灰度空间的转换程序采用经典RGB转灰度公式，将彩色视频的三路信号转换为一路亮度信号处理；FPGA利用内部乘加器与移位运算实现灰度转换中的浮点算术运算。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述步骤B中的图像预处理采用快速中值滤波算法和边缘增强处理，其中的快速中值滤波算法利用FPGA的并行处理机制，将9个串行图像数据的比较问题转化为三路三轮三个数据比较的并行处理，大幅减小运算时间，其操作步骤如下：

B-1.串行输入的图像数据经过3级FIFO缓冲，并在每级FIFO输出端引入两级寄存器，每个端口引出数据输出端，得到并行的3×3像素块的9个像素值；

B-2.将9个像素值分为三组，分别比较计算得到每组的最小值、中间值和最大值；

B-3.将步骤b中得到的三个最小值分为一组进行比较，输出其中的最大值，将步骤B-2中得到的三个中间值分为一组进行比较，输出其中的中间值，将步骤b中得到的三个最大值分为一组进行比较，输出其中的最小值；

B-4将步骤B-3中得到最大值、中间值、最小值进行比较，输出中间值，即得到3×3像素块中的中值。

4.根据权利要求1或3所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述步骤B中的图像预处理采用边缘增强算法突出图像边缘，边缘增强算法采用3×3像素块操作，利用卷积运算加大边缘像素的梯度差。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述步骤C的Canny边缘检测算法需进行水平、垂直、总梯度及梯度方向计算，非极大值抑制和双阈值分割三个步骤处理。

6.根据权利要求1或5所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述的Canny边缘检测算法的水平、垂直梯度的求解采用3×3像素块中心像素点的水平与垂直方向上的像素点的像素值进行简单算术运算得到，总梯度采用水平与垂直梯度的绝对值近似计算。

7.根据权利要求1或5所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述的Canny边缘检测算法的梯度方向的求解步骤如下：

C-1.根据FIFO三级缓冲，得到3×3像素块，判断中间像素值的梯度方向；

C-2将3×3像素块的中心像素点梯度方向按45度一个方向分解为8个梯度方向；

C-3利用正切函数在45度角及其倍数角上的特殊性将FPGA反三角函数的求解转化为水平与垂直梯度的正负及绝对值大小比较操作，从而使梯度方向的判定得到简化；

C-4根据中心像素点水平、垂直梯度的正负、及绝对值大小，得到其梯度方向。

8.根据权利要求1或5所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述的Canny边缘检测算法的非极大值抑制采用3×3像素块的各像素点的梯度值运算，在梯度方向上比较梯度值大小，判断中心像素点是否为边缘像素点。

9.根据权利要求1和5所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述的Canny边缘检测算法的双阈值分割采用高低两个阈值划分像素点是否为边缘点，其操作步骤如下：

D-1若像素点梯度值高于高阈值，则判定该点为边缘点；

D-2若像素点梯度值低于低阈值，则判定该点必为非边缘点；

D-3若像素点梯度值介于高低阈值之间，则进一步考察该像素点的3×3像素块周边像素点的梯度值大小；若周边有梯度值高于高阈值的像素点，则该像素点仍判定为边缘点，若周边像素点梯度值均小于高阈值，则该像素点判定为非边缘点。

10.根据权利要求1所述的基于FPGA的单像素边缘检测方法，其特征在于所述步骤D中的形态学腐蚀运算采用边缘图像的3×3像素块进行运算，考察中心像素点的水平、垂直及对角线上是否存在边缘像素点，得到在Canny求得的图像边缘基础上进一步细化的边缘图像。