基于FPGA的图像处理算法的研究与设计
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摘要
“机车车辆轮对动态检测装置”是一种动态非接触测量装置,对保证机车安全运行起到重要作用。本文就“机车车辆轮对动态检测装置”为背景,研究图像处理的算法,旨在提高图像处理速度和精度。
本文的实验平台是红色飓风系列的FPGA(Field Programmable Gate Array)开发板;开发软件是Altera公司的QuartusⅡ6.0和第三方仿真工具Modelsim SE 6.1f;使用的语言是硬件设计语言Verilog HDL(Hard DesignLanguage)。
本文涉及的图像处理包括三部分——视频采集及数字化、图像增强和曲线提取。
视频采集部分详细介绍了视频信号的格式,完成了对视频解码芯片SAA7113的配置,并且根据处理需要提取了视频信号中的亮度信号,进行存储。
图像增强和特征提取部分调研了灰度级修正、平滑降噪、边缘检测、轮廓提取中的典型算法,并对各个算法的特点加以分析总结。根据处理对象的特点和FPGA自身的特点对Canny算子和轮廓提取的算法予以改进。将直方图均衡化、加权均值滤波、传统中值滤波、多级中值滤波、Sobel算子、改进的Canny算子和改进的链码法在FPGA上实现。结果表明以上各种算法在FPGA上实现的可能性和正确性。
最后根据实验结果,综合考虑算法的速度、处理精度和实现的复杂度等因素选择出适合本系统的处理方法,对提高装置性能起到一定作用。
"The dynamic detection equipment of vehicle wheels" is a dynamic non-contact detection equipment,which plays an important role of the train running safety.To improve the processing speed and precision of the equipment, this paper researches on image processing based on the images which come from the equipment.
In this paper,the FPGA board named Red Cyclone is the platform of hardware;QuartusⅡ6.0 of Altera Company and Modelsim_SE 6.1f of the third party are the exploited software;Verilog is used as hard design language.
Three parts of image processing are concerned in this paper,video collection and digitization,image enhancement and boundary extraction。
In the part of video collection and digitization,the formats of the video have been introduced particularly.The video decoding chip SAA7113 has been configured.According to the requirement of the design,the brightness included in the video signal has been picked-up and stored.
In the part of image enhancement and boundary extraction,the paper introduces some typical methods of image filtering,edge detection,boundary tracking.It also analyses the characteristics of those methods.Taking the characteristics of FPGA and the object to be dealt with into consideration,the paper optimizes the Canny operator and boundary tracking method in more efficient ways.Histogram equalization,traditional median filter,multi-median filter,Sobel operator,improved Canny operator and improved edge extraction are implemented on FPGA.The results show that all of methods which could be implemented on FPGA are correct.
In the end,considering the speed,precision and complexity of methods,the paper picks up the adaptive methods to be use in the equipment,which plays a positive role in improving the performance of the equipment.
本文的实验平台是红色飓风系列的FPGA(Field Programmable Gate Array)开发板;开发软件是Altera公司的QuartusⅡ6.0和第三方仿真工具Modelsim SE 6.1f;使用的语言是硬件设计语言Verilog HDL(Hard DesignLanguage)。
本文涉及的图像处理包括三部分——视频采集及数字化、图像增强和曲线提取。
视频采集部分详细介绍了视频信号的格式,完成了对视频解码芯片SAA7113的配置,并且根据处理需要提取了视频信号中的亮度信号,进行存储。
图像增强和特征提取部分调研了灰度级修正、平滑降噪、边缘检测、轮廓提取中的典型算法,并对各个算法的特点加以分析总结。根据处理对象的特点和FPGA自身的特点对Canny算子和轮廓提取的算法予以改进。将直方图均衡化、加权均值滤波、传统中值滤波、多级中值滤波、Sobel算子、改进的Canny算子和改进的链码法在FPGA上实现。结果表明以上各种算法在FPGA上实现的可能性和正确性。
最后根据实验结果,综合考虑算法的速度、处理精度和实现的复杂度等因素选择出适合本系统的处理方法,对提高装置性能起到一定作用。
"The dynamic detection equipment of vehicle wheels" is a dynamic non-contact detection equipment,which plays an important role of the train running safety.To improve the processing speed and precision of the equipment, this paper researches on image processing based on the images which come from the equipment.
In this paper,the FPGA board named Red Cyclone is the platform of hardware;QuartusⅡ6.0 of Altera Company and Modelsim_SE 6.1f of the third party are the exploited software;Verilog is used as hard design language.
Three parts of image processing are concerned in this paper,video collection and digitization,image enhancement and boundary extraction。
In the part of video collection and digitization,the formats of the video have been introduced particularly.The video decoding chip SAA7113 has been configured.According to the requirement of the design,the brightness included in the video signal has been picked-up and stored.
In the part of image enhancement and boundary extraction,the paper introduces some typical methods of image filtering,edge detection,boundary tracking.It also analyses the characteristics of those methods.Taking the characteristics of FPGA and the object to be dealt with into consideration,the paper optimizes the Canny operator and boundary tracking method in more efficient ways.Histogram equalization,traditional median filter,multi-median filter,Sobel operator,improved Canny operator and improved edge extraction are implemented on FPGA.The results show that all of methods which could be implemented on FPGA are correct.
In the end,considering the speed,precision and complexity of methods,the paper picks up the adaptive methods to be use in the equipment,which plays a positive role in improving the performance of the equipment.
引文
[1]西南交通大学.机车车辆轮对动态检测装置技术成果鉴定资料.2003年8月
[2]Sadayuki Tsugawa.Vision-Based Vehicles in Japan:Machine Vision Systems and Driving Control Systems.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRAL ELECTRONICS vol41
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[4]吴炜煜.多媒体技术开发指南.大连理工大学出版社.1994年
[5]简弘伦.精通Verilog HDL:IC设计核心技术实例详解.电子工业出版社.2005年10月
[6]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京航空航天大学出版社.2003年7月
[7]黄宁.张家谋.图像中值滤波的硬件实现.电视技术.1998年第8期
[8]吕炎军.基于FPGA和USB2.0的图像采集及处理平台的设计.西南交通大学硕士学位论文.2007年4月.21-25
[9]杨恩泽.基于FPGA的图像处理算法及压缩编码的研究与实现.西南交通大学硕士学位论文.2007年4月.
[10]王伟.张覃平.王敬儒.实时电视测量系统中值滤波器设计.光电工程.1996年2月
[11]陈镇.中值滤波器的FPGA实现.红外.2005年第10期
[12]徐大鹏.李从善.基于FPGA的数字图像中值滤波器设计.电子器件.2006年12月第4期
[13]叶敏.基于视觉导航的实时图像处理及FPGA实现.浙江大学硕士论文2006年5月
[14]马向前.基于FPGA的实时图像采集和去噪系统的研究.吉林大学硕士学位论文.2006年5月
[15]鲁恒.视频图像灰度信号直方图均衡的FPGA实现.电子技术应用.2006年11期
[16]周志权等《基于FPGA的实时图像预处理系统的设计》华北航天工业学院 学报 2005年8月第15卷第3期 20-22
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[23]F.M.Alzahrani and T.Chen,"A Real-Time Edge Detector:Algorithmand VLSI Architecture," Real-Time Imaging,vol.3,issue 5,pp.363-378,October 1997.
[24]黄宁,张家谋,图像中值滤波的硬件实现,电视技术,1996,(8):6-12
[25]卢海南,刘建宝,新型递归多级中值滤波器,自动化技术与应用,2004,(4):30一32
[26]祝宇鸿,一种改进的数字图像中值滤波算法,长春邮电学院学报,200119(2):23-27
[27]张宁,王希勤,自适应中心加权的改进均值滤波算法,清华大学学报(自然科学版),1999,(9):76-78
[28]R.R.Rakesh,P.Chaudhuri,and C.A.Murthy,"Thresholding in Edge Detection:A Statistical Approach," IEEE Trans.Image Processing,vol.13,No.7,pp.927-936,2004.
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[30]谭会生等.基于EDA技术的图像边缘检测协处理器的设计.包装工程.2004年6月
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[32]韦海萍等.Canny算法的改进及硬件实现.光学技术.2006年3月:263-266
[33]闫雅楠.结合边缘检测和区域分割的形状特征提取.数字电视与数字视频2007年第31卷第3期:12-15
[34]吴继华.王诚Altera FPGAICPLD设计(基础篇).人民邮电出版社.2005
[35]吴继华.王诚Altera FPGA/CPLD设计(高级篇).人民邮电出版社.2005
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[40]国际电信联盟无线电通信部门656号建议
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[43]ALTERA.Single-&Dual-Clock FIFO Megafunction User Guide.September 2005
[44]ALTERA.Altpll Megafunction User Guide.December 2004
[45]ALTERA.Lmp_add_sub Megafunction User Guide.May 2006
[46]ALTERA.Lmp_rom Megafunction User Guide.March 2005
[47]ALTERA.Lmp_ram Megafunction User Guide.September 2004
[48]ALTERA.Lmp_mult Megafunction User Guide.June 2006
[49]李在铭等.数字图像处理、压缩与识别技术.电子科技大学出版社.2000年11月 125-126
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