摘 要： 采用FPGA搭建圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)硬件算法實(shí)現(xiàn)圖像的流水線及并行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有特定顏色的物體的識(shí)別與跟蹤。整個(gè)系統(tǒng)工作于像素頻率，避免了算法的程序跑飛現(xiàn)象，使系統(tǒng)的可靠性大為提高，較好地保持了系統(tǒng)的低功耗特性，且優(yōu)于DSP等串行處理器結(jié)合軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的方法。

0 引言

近年基于FPGA硬件技術(shù)的視頻圖像處理系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于視頻智能監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、視頻采集和跟蹤系統(tǒng)等［1］。作為機(jī)器視覺(jué)的一個(gè)重要研究方向，動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)在視頻智能監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)等方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［2］。通常圖像識(shí)別與跟蹤算法可以通過(guò)軟件或者硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但出于成本及開(kāi)發(fā)難度的考慮，圖像識(shí)別與跟蹤一般由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在高速、高分辨率的情況下，傳統(tǒng)軟件的串行處理算法不足以應(yīng)對(duì)大量的運(yùn)算以及嚴(yán)格的時(shí)間要求，而采用硬件算法則可以實(shí)現(xiàn)并行或者流水的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，大大地加快了運(yùn)算速度［3］。目前可采用硬件實(shí)現(xiàn)的主要方案包括：DSP數(shù)字信號(hào)處理器、專(zhuān)用的集成圖像處理芯片、FPGA和配合的相關(guān)電路。與其他方案相比，使用FPGA芯片豐富的硬件資源以及硬件可重構(gòu)性，可大大提高圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)的靈活性和通用性。

本設(shè)計(jì)通過(guò)使用可編程邏輯器件和硬件算法進(jìn)行圖像處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中特定目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，并通過(guò)并行和流水線結(jié)構(gòu)算法大大加快圖像處理的速度，使得處理速率與輸入時(shí)鐘同步，真正地做到了無(wú)延時(shí)處理。

1 系統(tǒng)整體功能概述

本設(shè)計(jì)中采用Altera公司的EP2C8系列FPGA作為系統(tǒng)核心。圖像從30萬(wàn)像素CMOS攝像頭輸入，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)圖像處理以及接口管理，因攝像頭與VGA接口的幀率不同，所以使用SDRAM作為幀緩沖。高速視頻DAC芯片ADV7123負(fù)責(zé)把RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，以實(shí)現(xiàn)VGA輸出。系統(tǒng)的框架圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)采用5 V直流供電，可以通過(guò)AS或者JTAG接口進(jìn)行調(diào)試以及程序的下載。通過(guò)鍵盤(pán)可以切換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，改變圖像的處理效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)圖像處理，首先要搭建好圖像的采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像正確的顯示。由于系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大，速度快，對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)以及器件布局布線都有較高的要求。

2.1 FPGA外圍電路設(shè)計(jì)

FPGA的外圍電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG以及AS調(diào)試接口。本設(shè)計(jì)提供40 MHz和50 MHz時(shí)鐘輸入，50 MHz時(shí)鐘可通過(guò)PLL倍頻到100 MHz作為SDRAM時(shí)鐘，也可分頻到25 MHz作為CMOS攝像頭時(shí)鐘；而40 MHz作為后備時(shí)鐘。JTAG接口可把配置數(shù)據(jù)下載到FPGA的內(nèi)部RAM上，并可以通過(guò)SignalTap嵌入式邏輯分析儀對(duì)FPGA時(shí)序進(jìn)行分析。AS接口則可以把配置數(shù)據(jù)之間固化到串行EPROM上，使FPGA上電后自動(dòng)配置。

2.2 VGA接口設(shè)計(jì)

VGA接口芯片本質(zhì)上是三路獨(dú)立的高速DA，負(fù)責(zé)把數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，以供顯示器顯示。為了阻抗匹配，模擬輸出端需并聯(lián)75 Ω電阻，DAC輸出電流的最大值由偏置電位器決定，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，可以調(diào)節(jié)輸出圖像的最大亮度。

2.3 SDRAM外圍電路設(shè)計(jì)

SRAM在存儲(chǔ)器中速度最快、最穩(wěn)定、操作最方便，但是由于其成本高，一般靜態(tài)存儲(chǔ)器只適用于存儲(chǔ)容量小、存儲(chǔ)速度要求高的場(chǎng)合。而SDRAM相對(duì)于SRAM制造成本低很多，隨著技術(shù)的進(jìn)步，SDRAM的速度越來(lái)越快，容量越來(lái)越大，穩(wěn)定性也越來(lái)越好。在視頻圖像處理中SDRAM主要用作數(shù)據(jù)緩存，也就是FPGA對(duì)SDRAM操作最頻繁的為讀命令、寫(xiě)命令，在這兩個(gè)命令中間插接激活、預(yù)充電、猝發(fā)終止、刷新等命令［4］。

SDRAM的主要作用是把經(jīng)過(guò)處理后的圖像數(shù)據(jù)以30 S/s的速率進(jìn)行緩存，然后再以60 S/s的速率讀取到VGA接口輸出。采用16 bit字寬的SDRAM，讀寫(xiě)時(shí)鐘為100 MHz。SDRAM總帶寬為100 MHz，其中攝像頭寫(xiě)入占用12.5 MHz帶寬，VGA讀取占用25 MHz帶寬，剩余的62.5 MHz帶寬可留作圖像處理使用。

3 算法設(shè)計(jì)

采用基于顏色的目標(biāo)識(shí)別算法從背景中分割目標(biāo)并動(dòng)態(tài)標(biāo)記，該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但對(duì)圖像的質(zhì)量要求較高。由于CMOS攝像頭輸出的圖像噪點(diǎn)較多，尤其在光照不足的情況下，因此圖像的預(yù)處理工作顯得尤為重要［5］。系統(tǒng)總體算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

預(yù)處理采用3×3的平滑濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波。將處理后的圖像與樣品顏色進(jìn)行比較，當(dāng)圖像與樣品顏色的R、G、B分量的差值在一定范圍內(nèi)時(shí)，圖像像素被標(biāo)記為白色，否則標(biāo)記為黑色，最終實(shí)現(xiàn)圖像的二值化。包圍盒對(duì)噪點(diǎn)非常敏感，在進(jìn)行包圍操作前，再對(duì)圖像進(jìn)行一次濾波處理。包圍盒的作用是找出目標(biāo)圖像像素的最小坐標(biāo)以及最大坐標(biāo)，通過(guò)這兩個(gè)坐標(biāo)即可計(jì)算出目標(biāo)的中心位置。

3.1 圖像平滑濾波器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的軟件算法在實(shí)現(xiàn)濾波操作時(shí)，需要先把輸入和輸出圖像都緩沖到幀緩存中去，對(duì)于每個(gè)輸出像素，算法獲取輸入圖像對(duì)應(yīng)窗口的像素并用濾波函數(shù)計(jì)算來(lái)取得輸出值。由于每個(gè)輸出都需要讀取對(duì)應(yīng)窗口的輸入像素，勢(shì)必占用極大的內(nèi)存帶寬，并且處理性能會(huì)受到內(nèi)存帶寬的限制。由于每個(gè)輸入像素都會(huì)被多個(gè)窗口所利用，故可以先對(duì)輸入圖像進(jìn)行緩存，以便在后續(xù)的窗口中被重新利用［6］。本設(shè)計(jì)使用流水處理的方法，實(shí)現(xiàn)濾波算法的加速計(jì)算，算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 圖像二值化

在第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿，攝像頭輸入的16 bit圖像數(shù)據(jù)先分割為R、G、B三個(gè)分量，分別為5 bit、6 bit、 5 bit，分別與樣本顏色的對(duì)應(yīng)分量進(jìn)行比較，通過(guò)減法器獲得對(duì)應(yīng)的誤差絕對(duì)值，下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，這三個(gè)誤差的絕對(duì)值再與對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，最后把比較結(jié)果進(jìn)行與運(yùn)算，作為最終輸出。整個(gè)二值化操作的流水線延時(shí)為兩個(gè)時(shí)鐘周期。圖4為其中一個(gè)處理通道的簡(jiǎn)化表示。本設(shè)計(jì)的二值化操作是在RGB色彩空間上進(jìn)行的，只有在R、G、B三個(gè)通道上同時(shí)滿足條件的像素點(diǎn)才會(huì)被設(shè)為最大值。

3.3 圖像腐蝕與膨脹

圖像的腐蝕操作能夠輕易地濾除面積小于窗口的孤立噪點(diǎn)而不影響圖像本身的清晰度，經(jīng)過(guò)腐蝕后目標(biāo)圖像會(huì)變小，需要膨脹操作來(lái)補(bǔ)償腐蝕的影響，與平滑濾波器相類(lèi)似。其實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示，經(jīng)過(guò)行緩沖的像素?cái)?shù)據(jù)依次進(jìn)入窗口，通過(guò)對(duì)窗口內(nèi)所有像素進(jìn)行與運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕，進(jìn)行或運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)膨脹，其效果如圖6所示。

3.4 包圍盒設(shè)計(jì)

一組像素的包圍盒是指能夠包圍所有像素的最小矩形，本設(shè)計(jì)在進(jìn)行包圍操作之前已經(jīng)先對(duì)圖像進(jìn)行二值化分割，故只需要找出每一幀圖像中目標(biāo)像素橫縱坐標(biāo)的最大值和最小值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的包圍操作。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)處理后的圖像有VGA接口輸出，其效果如圖7所示。由于采用了硬件算法實(shí)現(xiàn)的并行以及流水結(jié)構(gòu)，大大加快了圖像的處理速度，處理速度為900萬(wàn)像素每秒，流水線延時(shí)約為64 ？滋s。通過(guò)動(dòng)態(tài)流水線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以把每一步中間處理的結(jié)果直接輸出到VGA，這樣就可以獨(dú)立地觀察每一步處理的實(shí)際效果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若關(guān)閉圖像預(yù)處理，則圖像中噪點(diǎn)明顯增多，包圍盒出現(xiàn)晃動(dòng)，說(shuō)明圖像的預(yù)處理操作能夠提高識(shí)別和跟蹤的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

由于使用硬件算法，從本質(zhì)上避免了傳統(tǒng)軟件算法的程序跑飛現(xiàn)象，使得系統(tǒng)的可靠性大為提高。為了提高處理速度，傳統(tǒng)軟件算法往往只能通過(guò)提高系統(tǒng)的時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)，然而過(guò)高的時(shí)鐘頻率意味著高功耗和干擾，而本設(shè)計(jì)通過(guò)流水線結(jié)構(gòu)，使整個(gè)處理系統(tǒng)工作于像素頻率，同時(shí)也保持了系統(tǒng)的低功耗特性。

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