基于FPGA的实时图像边缘检测系统设计

摘要

随着社会工业技术的高速发展，图像处理在社会中占的比重越来越大。而图像边缘做为图像的基本特征，包含着图像中大量关键信息，边缘检测的质量决定了后续图像处理的准确性。然而随着图像技术的发展，图像传输数据越来越大，基于软件的数字图像处理越来越无法满足图像技术的实时性，用高速电路方式来进行图像处理已经成为当前研究的一个新领域。FPGA的高速并行性以及流水线结构的特点，则非常适用于快速图像处理。　　本文针对传统图像处理耗时长，实时性低的特点，构建了基于 FPGA 的实时图像边缘检测系统，主要包括采集、存储、处理和显示四个模块。在图像采集模块，通过IIC接口协议完成OV5640图像采集模式的配置。在存储模块通过SDRAM完成图像的缓存设置。在显示模块，通过VGA接口完成图像在显示屏上的显示。　　由于目前所用的中值滤波算法计算流程多，耗费时间大，无法在硬件上快速实现。在基于中值滤波原理的基础上，利用比较器和FPGA的并行性，实现了快速中值滤波算法，减少了中值滤波的时间消耗。在图像边缘检测模块中，改进Sobel边缘检测算法，在45o和135o增加两个模板，采用四模板算法结合Roberts边缘增强，对图像进行彩色边缘检测。借助 Canny 算子的高低阈值方法，通过3?3模板内的像素设定动态阈值，实现整个边缘检测系统的自动阈值处理。　　通过Verilog HDL语言在Quartus II软件内实现整个程序的编译。在完成系统设计以后，利用Modlesim软件对图像处理中的模块进行仿真，验证系统的模块设计时序。最后，将编译文件下载到FPGA上，完成实验测试。通过与Matlab得到的边缘检测图和传统Sobel结果图进行对比，可以得到本系统能够完成实时图像的边缘检测，实验证明改进的Sobel算法能够增强边缘检测效果，得到更好的边缘。

目录

1绪 论

1.1课题研究背景

1.2.1 边缘检测技术研究现状

1.2.2 基于FPGA的边缘检测研究现状

1.3 本文研究内容

2 基于FPGA边缘检测系统方案的总体设计

2.1边缘检测原理

2.2系统方案总体设计

2.3.1 图像采集子系统的硬件选择

2.3.2 存储模块硬件选型

2.3.3 FPGA选型

2.3.4显示模块设计

2.4系统总体硬件设计

2.5小结

3 图像采集显示模块的逻辑设计与实现

3.1 引言

3.2 摄像头的FPGA实现

3.2.1 摄像头寄存器配置

3.2.2 摄像头的数据传输

3.3 SDRAM存储模块的FPGA实现

3.3.1 SDRAM时序控制

3.3.2 SDRAM的数据读写的FPGA实现

3.4 VGA接口显示的FPGA实现

3.5 时钟PLL配置

3.6 实时性测试

3.7 小结

4 边缘检测算法研究

4.1引言

4.2 滤波模块

4.2.1中值滤波原理

4.2.2快速中值滤波

4.2.3快速中值滤波的Matlab验证

4.3 边缘检测模块

4.3.1 边缘检测算法比较

4.3.2 边缘检测的Matlab验证

4.3.3 自动阈值算法

4.3.4 自动阈值算法的Matlab验证

4.4 小结

5 边缘检测算法的FPGA实现

5.1引言

5.2并行计算设计

5.2.1边缘检测窗口的实现

5.2.2 快速中值滤波的FPGA实现

5.2.3 边缘检测算法的FPGA实现

5.2.4 自动阈值模块的FPGA实现

5.3实验结果与分析

5.3.1 快速中值滤波实验验证

5.3.2 边缘检测实验验证

5.3.3 实时性验证

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 课题展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.学位论文数据集

致谢