基于Sobel算子的实时图像边缘检测系统设计

摘要

边缘检测技术是数字图像处理中重要的技术，在产品检测、交通控制、国防安全和生物医学等各个领域应用广泛。因而，研究和开发能够实时、准确、稳定、灵活的边缘检测图像处理系统，具有极其重要的使用价值和研究意义。
　　在此背景下，利用硬件处理器建立实时图像的边缘检测系统由此应运而生。其中, FPGA由于它独特的逻辑结构；丰富的存储资源；良好实时性、可靠性、灵活性等诸多优势，使其在众多处理器芯片中脱颖而出。本文通过对目前主流的边缘检测算子及FPGA处理芯片进行分析、研究，以实现实时图像的边缘检测为目的，设计了利用Sobel算子对人体步态视频图像进行边缘检测的系统。
　　本文所设计的边缘检测系统的硬件平台主要由外部功能设备和内部逻辑功能器件两部分构成。其中，外部功能设备主要包括图像采集的摄像头和用于实时显示的液晶屏。而内部逻辑功能器件则可以细分为：图像采集功能模块、数据缓存功能模块、边缘检测处理功能模块和结果显示功能模块四大部分。
　　图像采集功能模块的主要作用是将摄像头采集的模拟视频信号经过A/D解码转换为符合PAL制式的、可供各种操作的视频数字信号；数据缓存功能模块主要负责对图像数字信号进行读写操作和缓存处理，保证数据能够在各功能器件之间有序、高效的进行传输；边缘检测模块利用实时性强、精准度高且易于硬件实现的Sobel算子来完成人体步态轮廓的边缘检测工作，结果显示功能模块则是以增强人机交互性、提高可视化效果目的，通过利用D/A转换器和VGA接口，将经过边缘检测后的图像结果进行实时显示。经过实验验证，Sobel算子能够在确保检测准确度的同时，最大限度的提升系统的实时性。
　　在本文系统中，使用Altera公司Cyclone IV系列中型号为EP4CE的FPGA芯片作为核心处理器，上述各功能模块的设计由硬件描述语言Verilog进行编写，并利用Altera公司提供的Quartus II12.1开发平台以及Modelsim仿真工具进行实验分析。本系统以每秒25帧图像的速率对视频输入图像进行采集, FPGA以40MHz的速率控制数据从SDRAM中读出和VGA显示，最终输出分辨率为800?600图像。

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1绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 边缘检测技术的发展及研究现状

1.3论文的章节安排

2 边缘检测基本原理及视频信号

2.1 图像的边缘

2.2 边缘检测

2.3 两类算子的比较

2.4 视频处理的一般流程

2.5 视频信号

2.6 本章小结

3 实时图像传输系统设计

3.1 实时图像传输系统总体设计

3.2 采集模块设计

3.3 缓存模块设计

3.3 VGA显示模块设计

3.5 本章小结

4 边缘检测模块设计

4.1 基于Sobel算子的边缘检测的总体设计思路

4.2 Sobel边缘检测的硬件实现

4.3实验仿真及分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

硕士期间从事的主要科研工作及成果

致谢