基于FPGA器件的Sobel算法實現(xiàn)

0引言

邊緣檢測技術(shù)是圖像處理的一項基本技術(shù)，在工業(yè)、航天、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。邊緣檢測算法的實現(xiàn)涉及復(fù)雜的計算步驟，故對處理速度有較高要求。采用FPGA器件實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計是一種純硬件的解決方案，該方案可以使系統(tǒng)具備較高的實時性，能比較好地解決軟件編程方式所導(dǎo)致的處理速度問題。

1 Sobel算法

在眾多的圖像邊緣檢測算法中，Soble算法具有計算簡便、檢測效果好等優(yōu)點，是一種被廣泛應(yīng)用的算法。Sobel算法依據(jù)圖像邊緣的灰度值會產(chǎn)生突變的原理，來對像素的灰度值進(jìn)行處理。在圖1所示的3×3像素窗中，中間像素[i，j]為待檢測像素，Sobel算法分別對此像素窗進(jìn)行水平(H)、垂直(V)、左對角(L)、右對角(R)四個方向的灰度值濾波運算，公式如下：

c=2。這里的H，V，L，R是為了計算梯度的大小和方向。梯度大小可由下式得到普遍估計：

若此幅值大于給定的某閾值，則可判定像素點[i，j]為邊緣像素，否則為一般像素。梯度方向與四個濾波值中絕對值最大的方向一致。

2 系統(tǒng)設(shè)計

一個完整的圖像邊緣檢測系統(tǒng)主要包括以下三個功能模塊：像素窗生成模塊、邊緣檢測模塊以及輸出處理模塊，圖2所示是邊緣檢測系統(tǒng)示意圖。其中像素窗生成模塊主要負(fù)責(zé)生成供邊緣檢測模塊計算的3×3像素窗；邊緣檢測模塊采用Soble算法對此像素窗進(jìn)行處理，以判斷中心像素是否為邊緣像素；輸出處理模塊負(fù)責(zé)后續(xù)處理任務(wù)(如生成完整的邊緣圖像)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文主要討論邊緣檢測模塊的設(shè)計。這里使用行為域建模的方式對系統(tǒng)進(jìn)行算法描述。該方法可以使系統(tǒng)行為與結(jié)構(gòu)相分離，設(shè)計者只需對系統(tǒng)的功能進(jìn)行算法描述而不必關(guān)心系統(tǒng)具體的硬件構(gòu)成方式。這種設(shè)計方法在設(shè)計過程中借鑒了軟件設(shè)計的靈活性優(yōu)點，而設(shè)計結(jié)果則是具有高運算速度的硬件電路。

這種設(shè)計思路不必依次設(shè)計加法器、寄存器、比較器等功能單元。由于Sobel算法中的邊緣檢測主要包含兩個步驟：一是對像素窗進(jìn)行四個方向濾波；二是對濾波值進(jìn)行決斷。因此，可采用狀態(tài)機(jī)方式來描述系統(tǒng)功能。但這里需要三個狀態(tài)：空閑態(tài)(IDLE)、濾波態(tài)(FILTER)和決斷態(tài)(JUDGE)，圖3所示是其系統(tǒng)狀態(tài)圖。

圖3中的IDLE為邊緣檢測模塊默認(rèn)的初始狀態(tài)，此狀態(tài)下不進(jìn)行任何處理動作。如果模塊接收到有效的檢測啟動信號，則轉(zhuǎn)入FILTER狀態(tài)。在此狀態(tài)下，模塊對輸入的像素窗進(jìn)行四個方向的濾波處理。下一時鐘周期到來后則轉(zhuǎn)入JUDGE狀態(tài)，此狀態(tài)下，模塊進(jìn)行邊緣判斷，并輸出相應(yīng)結(jié)果。經(jīng)過這樣一個過程后，即可完成一個像素窗的處理，之后，如果檢測啟動信號繼續(xù)有效，則轉(zhuǎn)入FILTER狀態(tài)并處理下一個像素窗，否則轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)待命。