基于FPGA視頻圖像算法開發(fā)

一、背景介紹

基于二值圖像的濾波算法即形態(tài)學(xué)濾波，在圖像目標(biāo)采集的預(yù)處理中經(jīng)常被使用到，針對不同的使用場景涉及到腐蝕、膨脹、開閉運(yùn)算等處理。實際使用中對于不同的分辨率大小以及模板窗口大小，都要進(jìn)行代碼的修改去適應(yīng)不同的場景，特別是模板窗口比較大時，代碼改寫工作量就很大。因此，為了減少開發(fā)時間，本文實現(xiàn)了一個通用的算法IP，只需要修改模板窗口大小和工作模式（腐蝕or膨脹）參數(shù)即可，達(dá)到“自適應(yīng)”目的，避免重復(fù)低效的工作。

二、形態(tài)學(xué)濾波原理

形態(tài)學(xué)濾波由腐蝕和膨脹兩種操作組成。首先，腐蝕（Erosion）的核心思想是圖像像素之間進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，簡單來說，當(dāng)一個包含當(dāng)前像素的結(jié)構(gòu)單元的像素值都為“1”時輸出待處理的的目標(biāo)像素。

若采用窗口實現(xiàn)腐蝕操作，如圖2.1所示：

圖2.1腐蝕效果示意圖

腐蝕的作用：在形態(tài)學(xué)中的腐蝕可以去除圖像中的物體邊界點，清除圖像中比結(jié)構(gòu)元素小的毛刺或者小突起，此外，結(jié)構(gòu)元素越大，腐蝕的面積就越大。所以，可以使用腐蝕運(yùn)算操作小區(qū)域的非目標(biāo)區(qū)域區(qū)分。

膨脹的核心思想是像素之間進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，也就是說每個輸入像素在輸出圖像中被替換成結(jié)構(gòu)單元的形狀。當(dāng)結(jié)構(gòu)單元中任何一個像素的灰度值為“1”時，那么輸出窗口內(nèi)的像素都為“1”，此時輸出待處理的目標(biāo)像素。公式可以表示為：

若采用窗口實現(xiàn)膨脹操作，如圖2.2所示：

圖2.2膨脹效果示意圖

膨脹的作用：膨脹運(yùn)算可以填充圖像中小于結(jié)構(gòu)元素的孔洞以及圖像邊緣部分的一些小凹陷。對于目標(biāo)區(qū)域腐蝕后再膨脹操作就是所謂的開運(yùn)算。對所選定的目標(biāo)區(qū)域先進(jìn)行膨脹操作然后再進(jìn)行腐蝕操作就是所謂的閉運(yùn)算。

三、FPGA硬件實現(xiàn)

形態(tài)學(xué)濾波算法的FPGA硬件實現(xiàn)原理圖，如下圖所示。算法的輸入輸出接口信號采用標(biāo)準(zhǔn)的 VGA時序接口，即行場信號、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)使能信號。算法模板輸入?yún)?shù)主要有兩個，Win_SIZE 表示窗口大小，WORK_MODE 表示工作在腐蝕還是膨脹模式，根據(jù)需要配置自己想要的模板大小和工作模式。

由于行緩存是基于RAM的實現(xiàn)的，本文設(shè)計的ram的規(guī)格大小是為2048x15，

深度2048 表示支持的最大分辨率，數(shù)據(jù)位寬為15bit表示支持的最大的模板窗口大小為15x15，也可以根據(jù)需要修改ram規(guī)格，其他邏輯不需要改動。

? ? ? ? ?最后，需要開運(yùn)算或者閉運(yùn)算時，只需要把兩個算法IP串聯(lián)起來，配置不同的參數(shù)即可。

四、仿真驗證

本節(jié)主要搭建一個視頻流Modelsim仿真平臺，在基于FPGA視頻圖像算法開發(fā)過程中，有必要模擬一個視頻時序，用來驗證算法，并有效的利用Matlab工具把靜態(tài)圖片“打散”保存到txt文本里，供Modesim讀取，然后通過Matalb“復(fù)現(xiàn)”處理后的文本。

3x3腐蝕仿真結(jié)果：

9x9腐蝕仿真結(jié)果：

5x5膨脹仿真結(jié)果：

?15x15膨脹仿真結(jié)果：