基于fpga的图像边缘检测系统研究与实现(附件)【字数：10975】
摘 要随着技术的发展，图像的分辨率越来越高扫描速度越来越快,2K甚至4K分辨率的图像也在火热发展中。目前，比较火热的VR技术更是需要双通道的高分辨率、高扫描率的视频处理数据和处理能力。这些新要求都对传统图像处理平台带来了严重的挑战，基于PC和DSP软件平台的图像处理已经难以满足要求，由于图像处理算法天然的并行性，FPGA的加入给图像处理带来了新的活力。论文主要以Altera Cyclone? IV E17C8为核心，设计了边缘检测系统，系统中使用Sobel算子模块，利用Sobel算法对图像进行卷积运算，在FPGA上实现了边缘检测算法包括确定具体算法和对其进行可行性改造、将算法中的计算和存储需求与FPGA内部可用资源相映射、将算法映射到硬件结构上等步骤，并在ModelSim仿真软件下验证成功，实现边缘检测的设计目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2图像边缘检测技术的发展和现状 1
1.3论文的研究内容及章节安排 2
第二章 硬件平台概述及图像边缘检测基本理论 3
2.1硬件平台概述 3
2.1.1FPGA的基本结构 3
2.1.2FPGA设计开发的基本流程 3
2.2图像边缘检测基本理论 4
2.3常用的图像边缘检测算法 5
2.3.1基于一阶导数算子的边缘检测算法 5
2.3.2Sobel边缘检测算子 6
第三章 系统设计及工作流程介绍 8
3.1系统介绍 8
3.2内部逻辑功能模块设计 9
3.2.1PLL模块 9
3.2.2摄像头配置与采集模块 12
3.2.3灰度转换模块 17
3.2.4高斯滤波模块 19
3.2.5二值化模块 22
3.2.6边缘检测模块 24
3.2.7VGA端口配置模块 27
3.2.8VGA驱动模块 31
第四章 功能模块仿真及分析 34
4.1二值化模块仿真 34
4.2VGA配置模块仿真 34
4.3VGA驱 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
动模块仿真 35
4.4其他功能模块 36
4.5实际边缘检测图 36
结束语 39
致 谢 40
参考文献 41
附录A 系统RTL视图 42
附录B 系统编译报告 43
附录C 系统硬件板 44
第一章 绪论
1.1研究的背景及意义
图像信息构成人类视觉的基础，是人类社会活动中最常用的信息载体，并且相较于其他人类获取的信息，比如听觉，触觉等，视觉图像包含了大部分的信息。然而图像的边缘又是图像信息的重要基本特征，包含了大量人类可以利用的信。例如在交通方面，在高速公路收费站或停车场等场所的车牌识别，城市交通主干道的车流量监控，在公安侦查方面可以对犯罪嫌疑人的体型面部等特征进行甄别，在生产线上也能减少大量的人工检测，提高生产效率，大大降低了产品成本。现如今边缘检测技术不但大量应用于生产生活，而且在军工，航天，医学诊断等领域也有着重要应用。除此以外，当下大热的智能机器人，自动汽车驾驶也涉及到了边缘检测技术。
随着近些年集成电路技术的逐渐成熟和硬件处理器性能的升级，对于图像信息的处理技术有了质的飞跃。上面提及的应用都是动态的图像，涉及到大量的数据信息需要处理，如果使用传统的软件对其进行处理都会受到其数据处理方式的限制，这样的处理速度很慢并且无法适应动态实时的要求，也很难保证输出图像信息的完整性，由此可见硬件的发展水平限制了数据量的处理，也阻碍了数字图像处理的发展。
FPGA的横空出世给数字图像处理提供了一个全新的思路，其拥有大量的逻辑单元和存储资源能够实现并行和流水线处理，极大的提高了硬件的处理效率。所以，本设计就是采用FPGA作为核心硬件处理器，对图像边缘进行检测和处理。
1.2图像边缘检测技术的发展和现状
在20世纪60年代的时候，美国的L.G.Roberts教授率先开始对图像的边缘信息进行科研，提出了采用软硬件相结合的处理办法。从其研究中可以得知，一副图像中像素变化最快的点就是图像边缘部分信息，这部分边缘信息可以分为两大类，第一类称为阶跃性边缘，第二类称为屋顶状边缘。利用梯度幅度就能反映出像素点的变化，从而L.G.Roberts教授发表了最原始的Roberts边缘检测算法，自此关于图像的边缘检测技术有了初步的发展，以后越来越多的科研学者投身进入了图像边缘检测算法研究中，研究出了许多能够满足更高要求的算法，例如Kirsch算子、Prewitt算子和本次设计使用的Sobel算子等图像信息处理算法。
上述提及的算法都是进行一阶求导数学运算，对像素点进行处理的一阶图像处理算法，运用此类算法可以得到图像的边缘，也就是变化最剧烈的像素点。但是随着技术的发展和图像的像素级别越来越高，仅单单使用一阶的图像处理算法这样的到的图像边缘通常比较宽，而且已经无法满足边缘效果精度的要求。在这种情况下，一些二阶的图像处理算法陆续被研究推广，例如LOG算法、Laplacian算法，和以后出现的Canny边缘检测算法。经过使用发现，使用这类图像处理算法处理的图像边缘往往比较细，精度也相对较高，已经能够满足使用的需求。
随着科学技术的发展和学者们的不断研究，多学科多技术的融合，许多新的理论和数学运算结合到了图像边缘检测技术中，例如模糊理论、小波理论、膨胀运算和腐蚀运算等，这些新算法的注入都对边缘检测技术的发展起到了强大的推动作用。
1.3论文的研究内容及章节安排
本文设计一个较为完整的图像边缘检测系统，系统平台以IntelAltera公司的FPGA芯片为基础，结合图像边缘处理算法最常用的经典算法，同时根据FPGA的硬件结构对算法进行硬件设计，通过后期的仿真和上板测试调试，最终可以达到去除噪声，边缘检测等功能。论文共4章，各章节的写作分别为：
第一章绪论部分，着重阐述了此次选题研究的背景和意义，同时对图像边缘检测技术的发展和现状进行了介绍。
第二章硬件平台和边缘检测理论概述部分，介绍了系统的硬件平台基本结构和其开发流程，重点介绍了图像边缘检测算法，为接下来的设计打下理论基础。
第三章介绍边缘检测系统的结构及工作流程，然后详细介绍各个功能模块和其之间的连接，并对模块中设计的技术进行详细说明。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2图像边缘检测技术的发展和现状 1
1.3论文的研究内容及章节安排 2
第二章 硬件平台概述及图像边缘检测基本理论 3
2.1硬件平台概述 3
2.1.1FPGA的基本结构 3
2.1.2FPGA设计开发的基本流程 3
2.2图像边缘检测基本理论 4
2.3常用的图像边缘检测算法 5
2.3.1基于一阶导数算子的边缘检测算法 5
2.3.2Sobel边缘检测算子 6
第三章 系统设计及工作流程介绍 8
3.1系统介绍 8
3.2内部逻辑功能模块设计 9
3.2.1PLL模块 9
3.2.2摄像头配置与采集模块 12
3.2.3灰度转换模块 17
3.2.4高斯滤波模块 19
3.2.5二值化模块 22
3.2.6边缘检测模块 24
3.2.7VGA端口配置模块 27
3.2.8VGA驱动模块 31
第四章 功能模块仿真及分析 34
4.1二值化模块仿真 34
4.2VGA配置模块仿真 34
4.3VGA驱 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
动模块仿真 35
4.4其他功能模块 36
4.5实际边缘检测图 36
结束语 39
致 谢 40
参考文献 41
附录A 系统RTL视图 42
附录B 系统编译报告 43
附录C 系统硬件板 44
第一章 绪论
1.1研究的背景及意义
图像信息构成人类视觉的基础，是人类社会活动中最常用的信息载体，并且相较于其他人类获取的信息，比如听觉，触觉等，视觉图像包含了大部分的信息。然而图像的边缘又是图像信息的重要基本特征，包含了大量人类可以利用的信。例如在交通方面，在高速公路收费站或停车场等场所的车牌识别，城市交通主干道的车流量监控，在公安侦查方面可以对犯罪嫌疑人的体型面部等特征进行甄别，在生产线上也能减少大量的人工检测，提高生产效率，大大降低了产品成本。现如今边缘检测技术不但大量应用于生产生活，而且在军工，航天，医学诊断等领域也有着重要应用。除此以外，当下大热的智能机器人，自动汽车驾驶也涉及到了边缘检测技术。
随着近些年集成电路技术的逐渐成熟和硬件处理器性能的升级，对于图像信息的处理技术有了质的飞跃。上面提及的应用都是动态的图像，涉及到大量的数据信息需要处理，如果使用传统的软件对其进行处理都会受到其数据处理方式的限制，这样的处理速度很慢并且无法适应动态实时的要求，也很难保证输出图像信息的完整性，由此可见硬件的发展水平限制了数据量的处理，也阻碍了数字图像处理的发展。
FPGA的横空出世给数字图像处理提供了一个全新的思路，其拥有大量的逻辑单元和存储资源能够实现并行和流水线处理，极大的提高了硬件的处理效率。所以，本设计就是采用FPGA作为核心硬件处理器，对图像边缘进行检测和处理。
1.2图像边缘检测技术的发展和现状
在20世纪60年代的时候，美国的L.G.Roberts教授率先开始对图像的边缘信息进行科研，提出了采用软硬件相结合的处理办法。从其研究中可以得知，一副图像中像素变化最快的点就是图像边缘部分信息，这部分边缘信息可以分为两大类，第一类称为阶跃性边缘，第二类称为屋顶状边缘。利用梯度幅度就能反映出像素点的变化，从而L.G.Roberts教授发表了最原始的Roberts边缘检测算法，自此关于图像的边缘检测技术有了初步的发展，以后越来越多的科研学者投身进入了图像边缘检测算法研究中，研究出了许多能够满足更高要求的算法，例如Kirsch算子、Prewitt算子和本次设计使用的Sobel算子等图像信息处理算法。
上述提及的算法都是进行一阶求导数学运算，对像素点进行处理的一阶图像处理算法，运用此类算法可以得到图像的边缘，也就是变化最剧烈的像素点。但是随着技术的发展和图像的像素级别越来越高，仅单单使用一阶的图像处理算法这样的到的图像边缘通常比较宽，而且已经无法满足边缘效果精度的要求。在这种情况下，一些二阶的图像处理算法陆续被研究推广，例如LOG算法、Laplacian算法，和以后出现的Canny边缘检测算法。经过使用发现，使用这类图像处理算法处理的图像边缘往往比较细，精度也相对较高，已经能够满足使用的需求。
随着科学技术的发展和学者们的不断研究，多学科多技术的融合，许多新的理论和数学运算结合到了图像边缘检测技术中，例如模糊理论、小波理论、膨胀运算和腐蚀运算等，这些新算法的注入都对边缘检测技术的发展起到了强大的推动作用。
1.3论文的研究内容及章节安排
本文设计一个较为完整的图像边缘检测系统，系统平台以IntelAltera公司的FPGA芯片为基础，结合图像边缘处理算法最常用的经典算法，同时根据FPGA的硬件结构对算法进行硬件设计，通过后期的仿真和上板测试调试，最终可以达到去除噪声，边缘检测等功能。论文共4章，各章节的写作分别为：
第一章绪论部分，着重阐述了此次选题研究的背景和意义，同时对图像边缘检测技术的发展和现状进行了介绍。
第二章硬件平台和边缘检测理论概述部分，介绍了系统的硬件平台基本结构和其开发流程，重点介绍了图像边缘检测算法，为接下来的设计打下理论基础。
第三章介绍边缘检测系统的结构及工作流程，然后详细介绍各个功能模块和其之间的连接，并对模块中设计的技术进行详细说明。
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