[发明专利]基于FPGA的单像素边缘检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的单像素边缘检测方法，具体地说，涉及一种利用FPGA实现图像的边缘提取，并对边缘进行细化，得到单像素精度的图像边缘。属于电子信息领域。

背景技术

近年来计算机视觉技术迅猛发展，根据不同的应用，计算机视觉处理主要包括区域分割，图像增强，边缘检测，视频编码，3D技术等等。边缘检测技术是其中相对成熟且应用广泛的视觉处理技术。目前，计算机视觉处理技术主要是基于PC机操作的，随着嵌入式技术的发展，嵌入式的机器视觉技术逐步发展起来，在科研、工业控制、航天事业等各个领域都得到了广泛的应用。

经相关检索调研，传统边缘检测技术是基于PC机上的，虽然检测的边缘效果好，但PC机操作不可避免地存在着诸如成本高，体积大，稳定性差等缺陷。目前，嵌入式的视频边缘检测技术多用DSP芯片操作，为串行处理，对于边缘提取效果要求较高的操作，DSP处理复杂，延时时间长。另一方面，上世纪90年代出现的现场可编程器件（FPGA），设计方便灵活，并行处理结构可大幅度缩短处理时间，满足诸多场合的实时性要求，且开发周期短，更可根据需要定制IP核，易于扩展、升级。随着FPGA性能的不断提升，基于FPGA设计的嵌入式系统应用越来越广泛，特别是在数字图像处理领域，借助于基于逻辑和并行处理的优势，相对其他处理器系统，FPGA的应用在市场上遥遥领先，在未来嵌入式机器视觉中应用潜力巨大。 

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于FPGA的单像素边缘检测方法。以FPGA为基础，将输入的视频信号逐帧进行边缘提取并细化，每帧图像得到单像素的边缘。将机器视觉技术与FPGA处理技术结合，既可以很好满足单像素边缘提取的实时性，又可以利用FPGA的IP核定制功能，满足更多具体需求，特别是工业控制中的机器视觉辅助计算方面的应用。FPGA与机器视觉的结合提高了系统设计的性价比，同时，随着FPGA性能的不断提高，处理速度越来越快，内部集成的功能模块越来越多，检测方法的性能会越好。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于FPGA的单像素边缘检测方法由RGB视频空间转换程序，图像预处理程序，Canny边缘检测算法程序，形态学腐蚀及单像素轮廓提取程序等组成。检测方法操作步骤可概括为：FPGA从外部得到RGB空间的视频信号，包括视频数据以及行、场、像素等时钟同步信号；视频数据直接被送往RGB空间转换程序，转换为灰度空间图像；灰度图像与时钟同步信号进一步连接到图像预处理程序，滤除图像噪声并增强图像边缘等；经过滤波后的图像数据在时钟同步信号的控制下进行Canny边缘检测，获得相对精细的视频图像边缘；最后将Canny检测到的边缘图像在时钟同步信号的控制下进行形态学腐蚀运算，并根据视频内容进行适当的边缘细化操作，最终提取出单像素的边缘。

上述RGB视频空间转换程序包括彩色图像到灰度图像的转换以及灰度图像亮度的调整。彩色视频存在多种色彩空间，但对视频处理过程中采用RGB视频数据处理最为方便，而且各种色彩空间准可转换为RGB数据。在此要提取视频的边缘图像，需将彩色空间转换到灰度空间，这样即将三路数据处理过程转换为一路数据处理。视频图像的边缘有一定宽度，为得到尽可能细小的边缘，可预先对得到的灰度图像进行亮度调整，消除一些亮度偏低的像素点，使边缘尽可能保留同时又尽可能细小，方便后续细小边缘的提取。得到的尽可能理想的灰度视频信号继而被送往图像预处理程序处理。

上述图像预处理程序由快速中值滤波与图像边缘增强两部分组成，由于视频信号无可避免地存在噪声影响，有必要对图像进行滤波处理。中值滤波算法采用3×3像素模块，通过比较运算，求取9个像素值中的中间值，代替3×3像素块中间位置像素点的像素值。快速中值滤波算法将9个像素点的比较运算分解为3组3个像素分别比较，经过三个层次比较，得到中间值，可有效减小运算的复杂度，满足视频信号处理的实时性等要求。具体操作步骤如下：

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。

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。

③将②中得到的三个最小值分别为一组进行比较，输出其中的最大值，将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②中得到的三个最大值分别为一组进行比较，输出其中的最小值。

④将③中得到的最大值、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。