基于 FPGA 的图像边缘检测

geren2014 · 发表于 2018-10-26 16:51:19

本文主要内容是实现图像的边缘检测功能

mif文件的制作

受资源限制，将图片像素定为 160 * 120，将图片数据制成 mif 文件，对 rom ip 核进行初始化。mif文件的制作方法网上有好多办法，因此就不再叙述了，重点说mif文件的格式。

1、mif文件的格式为：

WIDTH=16 ; //数据位宽
DEPTH=19200 ; // rom 深度即图片像素点的个数
ADDRESS_RADIX=UNS ; //地址数据格式
DATA_RADIX=BIN ; //数据格式
CONTENT
BEGIN
0:1010110011010000 ; // 地址：数据；注意格式要和上面定义的保持统一
1:1010110011010000 ;
2:1010010010110000 ;
......
19198:1110011011111001 ;
19199:1110011011011000 ;
END;

复制代码

灰度处理
任何颜色都由红、绿、蓝三原色组成，假如原来某点的颜色为( R,G,B )那么，我们可以通过下面几种方法，将其转换为灰度：

浮点算法：Gray=0.299R+0.587G+0.114B
平均值法：Gray=(R+G+B)/3;
仅取单色（如绿色）：Gray=G；

将计算出来的Gray值同时赋值给 RGB 三个通道即RGB为(Gray,Gray,Gray)，此时显示的就是灰度图。通过观察调色板就能看明了。通过观察可知，当RGB三个通道的值相同时即为灰色，Gray的值越大，颜色越接近白色，反之越接近黑色（这是我自己的理解，不严谨错误之处请大神指正）。

这是在线调色板网址，可以进去自己研究一下。http://tool.chinaz.com/tools/selectcolor.aspx

此次我采用是浮点算法来实现灰度图的，我的图片数据是RGB565 格式，

难点: 如何进行浮点运算。

思路：先将数据放大，然后再缩小。

例如：
Gray=0.299R+0.587G+0.114B转化为 Gray=(77R+150G+29B)>>8 即可，这里有一个技巧，若 a 为 16 位即 a [15:0],那么 a>>8 与 a [15：8]是一样的。
核心代码如下：

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均值滤波

均值滤波的原理

http://blog.csdn.net/hhygcy/article/details/4325304 (此处引用 hhygcy 的文章)

难点：如何生成 3*3 的像素阵列。

我们可以利用 ip 核生成移位寄存器，方法与 ip 核生成 rom 一样，详情见目录 2 因此不再赘述。

仿真波形如下 row_1 , row_2 , row_3 是指图像的第一、二、三行的数据，Per_href 是行有效信号（受VGA时序的启发，从 rom 中读取数据时设计了行有效和场有效的控制信号，事半功倍，有了利于仿真查错和数据的控制）。从 3 开始就出现了3*3 的像素阵列，这时候就可以求取周围 8 个像素点的平均值，进行均值滤波。

下面这个图是我自己画的 FPGA 如何将矩阵数据处理成并行的像素点，可以结合下面的代码好好理解，这也是精华所在。

正方形红框框起来的是第一个完整的 3*3 矩阵，长方形红框框起来的是并行的像素点，在此基础上就可以求得平均值，进行均值滤波。

从下图也能看到 3*3 矩阵从左往右滑动。

第一个3*3 阵列。

0  1  2 -- >  p11 p12 p13

3  4  5 -- >  p21 p22 p23

6  7  8 -- >  p31 p32 p33

核心代码如下：

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sobel 边缘检测

边缘检测的原理

该算子包含两组 3x3 的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。A代表原始图像的 3*3 像素阵列，Gx及Gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像，其公式如下:

图像的每一个像素的横向及纵向梯度近似值可用以下的公式结合，来计算梯度的大小。

如果梯度G大于某一阀值则认为该点(x,y)为边缘点。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

用的是边缘检测算法。

难点：(1)掌握了 3*3 像素阵列，Gx 与 Gy 就很好计算了 (注意问题：为了避免计算过程中出现负值，所以将正负值分开单独计算，具体见代码)

(2)G的计算需要开平方，如何进行开平方运算

Quartus 提供了开平方 ip 核，因此我们直接调用就好了。

代码：

reg [8:0] p_x_data ,p_y_data ; // x 和 y 的正值之和
reg [8:0] n_x_data ,n_y_data ; // x 和 y 的负值之和
reg [8:0] gx_data ,gy_data ; //最终结果
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
p_x_data <=0;
n_x_data <=0;
gx_data <=0;
end
else if(per_href_ff1==1) begin
p_x_data <= p_13 + (p_23<<1) + p_33 ;
n_x_data <= p_11 + (p_12<<1 )+ p_13 ;
gx_data <= (p_x_data >=n_x_data)? p_x_data - n_x_data : n_x_data - p_x_data ;
end
else begin
p_x_data<=0;
n_x_data<=0;
gx_data <=0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
p_y_data <=0;
n_y_data <=0;
gy_data <=0;
end
else if(per_href_ff1==1) begin
p_y_data <= p_11 + (p_12<<1) + p_13 ;
n_y_data <= p_31 + (p_32<<1) + p_33 ;
gy_data <= (p_y_data >=n_y_data)? p_y_data - n_y_data : n_y_data - p_y_data ;
end
else begin
p_y_data <=0;
n_y_data <=0;
gy_data <=0;
end
end
//求平方和,调用ip核开平方
reg [16:0] gxy; // Gx 与 Gy 的平方和
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
gxy<=0;
end
else begin
gxy<= gy_data* gy_data + gx_data* gx_data ;
end
end
wire [8:0] squart_out ;
altsquart u1_altsquart ( //例化开平方的ip核
.radical (gxy),
.q (squart_out), //输出的结果
.remainder()
);
//与阈值进行比较
reg [15:0] post_y_data_r;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
post_y_data_r<=16'h00;
end
else if(squart_out>=threshold)
post_y_data_r<=16'h00 ;
else
post_y_data_r<=16'hffff ;
end

复制代码

图片的显示

本来是想用 VGA 来显示图片的，由于条件的限制没能实现，最终只能将处理完的数据输出保存在 .txt 文件中，然后借助好友写的网页进行显示。

难点：(1) 如何将数据流输出保存到 .txt 文件中。

(2) 网页的使用及注意事项

在testbench里加入下面所示代码即可将图片数据保存到 .txt 文本

代码如下：

integer w_file;
initial
w_file = $fopen("data_out_3.txt"); //保存数据的文件名
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(flag_write==1&&post_href==1)//根据自己的需求定义
$fdisplay(w_file,"%b",post_y_data);
end

复制代码

网页的界面如下，将参数设置好以后就可以显示图片。

下载链接

aggregrate.zip (908 Bytes, 下载次数: 10)

基于 FPGA 的图像边缘检测

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