范哲意，周治國，劉志文

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京100081)

0 引 言

高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)是高等教育的重要發(fā)展任務(wù)之一［1］，實(shí)踐教學(xué)在人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我校信息與電子學(xué)院在國家“985 工程”三期建設(shè)項(xiàng)目的支持下，建設(shè)了“電子信息類大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新平臺”，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才提供了有利的條件，本文介紹的圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺是其中面向“數(shù)字圖像處理”方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)和創(chuàng)新活動的平臺。

“數(shù)字圖像處理”是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，主要學(xué)習(xí)通過計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理的基本理論和方法，課程的理論性、實(shí)踐性強(qiáng)，要求學(xué)生在掌握圖像處理和圖像分析的基本概念、基礎(chǔ)理論、典型方法的基礎(chǔ)上，掌握一定的實(shí)踐技能。在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，將圖像處理的理論知識和綜合應(yīng)用相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生探索深層次的技術(shù)和應(yīng)用，積極開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，將促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力［2-4］。

本文采用的圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺硬件架構(gòu)以FPGA為核心，同時引入了模型化設(shè)計(jì)［5］的方法為學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)提供切入口，實(shí)驗(yàn)過程直觀簡便，便于學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)。基于硬件平臺的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往因?yàn)閷W(xué)生對硬件架構(gòu)了解不足和繁瑣的開發(fā)流程使實(shí)驗(yàn)的效果大打折扣，模型化設(shè)計(jì)的方法為解決這個問題提供了途徑，可以有效地降低硬件平臺應(yīng)用程序的開發(fā)難度，很好地屏蔽各種不同目標(biāo)平臺之間的差異性［6］，學(xué)生不用關(guān)心具體的硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而是將工作的重心集中在核心算法和技術(shù)的開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用XUPV5-LX110T［7］作為處理平臺，該平臺是是一款以XILINX 公司Virtex-5 系列芯片XC5VLX110T 為核心的FPGA 平臺，外圍接口豐富，同時還集成了視頻輸入和輸出模塊，可實(shí)時采集圖像并進(jìn)行分析和處理，非常適用于視頻和圖像處理的開發(fā)。其視頻輸入部分由AD9980 采樣芯片和VGA 接口組成，視頻輸出部分則由CH7301C 芯片和DVI 接口組成。

為了使學(xué)生集中于圖像處理算法和技術(shù)的研究和創(chuàng)新，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新活動的效果，采用了基于System Generator 的模型化設(shè)計(jì)方法簡化了FPGA 開發(fā)的流程，為學(xué)生方便快捷切入實(shí)驗(yàn)提供了有效的途徑。

2 基于System Generator 的實(shí)驗(yàn)流程

System Generator 是由Xilinx 公司和Mathworks 公司聯(lián)合開發(fā)的基于FPGA 的信號處理建模和設(shè)計(jì)工具［8］，是一種系統(tǒng)級(或算法級)的設(shè)計(jì)工具，充分利用了Matlab/Simulink 強(qiáng)大的圖形化建模功能，使得用FPGA 設(shè)計(jì)DSP 系統(tǒng)完全通過Simulink 的圖形化界面進(jìn)行建模、系統(tǒng)級仿真，設(shè)計(jì)模型可直接向HDL 語言代碼轉(zhuǎn)換［9］。設(shè)計(jì)者在不懂硬件描述語言設(shè)計(jì)時，仍可以完成硬件設(shè)計(jì)，先將處理算法抽象成為功能模塊，通過Simulink 建立系統(tǒng)的仿真模型，通過System Generator 模塊生成HDL 語言和工程，在ISE 中進(jìn)行仿真、綜合，并下載到FPGA 目標(biāo)平臺上進(jìn)行測試和實(shí)現(xiàn)。其工作原理如圖1 所示。

圖1 System Generator 工作原理

利用System Generator 模型化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的流程［10］主要包括:

(1)根據(jù)算法原理，在在Simulink 環(huán)境中搭建系統(tǒng)模型。

(2)在Simulink 環(huán)境中對系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。

(3)啟動System Generator，完成系統(tǒng)模型到HDL代碼的轉(zhuǎn)換，生成完整的ISE 工程。

(4)在ISE 中調(diào)用生成的工程文件，進(jìn)行綜合、布線、時序分析。

(5)配置下載到目標(biāo)FPGA 平臺上實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

下面以實(shí)時圖像的邊緣檢測算法實(shí)現(xiàn)為例來說明利用System Generator 模型化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。

3 邊緣檢測算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

3.1 Sobel 邊緣檢測算法

邊緣檢測是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)問題之一［11］，是圖像分析與識別的重要環(huán)節(jié)，是目標(biāo)檢測和圖像分割的重要基礎(chǔ)，在實(shí)時圖像處理中，利用Sobel 算子進(jìn)行物體的邊緣檢測是經(jīng)常用到的算法。

Sobel 算子是基于一階微分的邊緣檢測方法，計(jì)算簡單且能產(chǎn)生較好的檢測效果，對噪聲具有平滑作用，可以提供較為精確的邊緣方向信息。Sobel 邊緣檢測算法使用兩個方向算子(水平梯度算子和垂直梯度算子，見圖2)與圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算得到水平梯度和垂直梯度，然后綜合水平梯度和垂直梯度求得灰度圖像中各個像素點(diǎn)的梯度值，設(shè)定檢測閾值，梯度值大于等于閾值的點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，反之則不是邊緣點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)邊緣檢測［12-13］。

圖2 Sobel 算子模塊

3.2 實(shí)時圖像邊緣檢測算法實(shí)現(xiàn)

基于圖像處理平臺的實(shí)時圖像邊緣檢測流程主要包括以下幾個步驟:視頻圖像采集、彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像、邊緣檢測和處理結(jié)果輸出。

視頻圖像采集功能由BPS(BEEcube Platform Studio)提供的VGA 模塊(見圖3)可以直接實(shí)現(xiàn)，BPS工具是基于Simulink框架上的另一個系統(tǒng)級的、軟硬件協(xié)同開發(fā)的環(huán)境，可以自動生成特定硬件接口和相應(yīng)軟件驅(qū)動［14］。

圖3 VGA 接口模塊

彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像［15］采用如下轉(zhuǎn)換矩陣

其中:Y 為象素點(diǎn)的亮度;R、G、B 分別為三基色的相對強(qiáng)度。利用System Generator 創(chuàng)建上述轉(zhuǎn)換模型如圖4 所示。該模塊實(shí)現(xiàn)彩色圖像到灰度圖像的轉(zhuǎn)換，同時將視頻的行、場同步信號傳遞到下級算法模塊。

根據(jù)Sobel 邊緣檢測算法原理，利用System Generator 創(chuàng)建的邊緣檢測算法模型如圖5 所示。

圖4 彩色與灰度圖像轉(zhuǎn)換模型

圖5 Sobel 邊緣檢測算法模型

上述彩色與灰度圖像轉(zhuǎn)換模型和Sobel 邊緣檢測算法模型可以分別封裝為一個RGB2Y 子模塊和一個EdgeDetection 子模塊，以便頂層系統(tǒng)模型調(diào)用，封裝好的子模塊如圖6 所示。

圖6 (a)RGB2Y 子模塊 (b)EdgeDetection 子模塊

結(jié)果輸出功能采用BPS 提供的DVI 模塊(如圖7所示)直接實(shí)現(xiàn)。將前端處理模塊產(chǎn)生的R、G、B 像素分量信號、行同步、場同步以及像素使能信號依次接入DVI 模塊，并實(shí)現(xiàn)視頻流輸出。由于前端邊緣檢測模塊輸出只包含一種顏色分量Y，這里DVI 模塊的R、G、B 端子均采用分量Y 輸入。

圖7 DVI 模塊

最后，由上述各子模塊構(gòu)建頂層系統(tǒng)模型如圖8所示。

這里選用一段交通監(jiān)控視頻圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺對上述邊緣檢測模型進(jìn)行仿真測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。

圖8 頂層系統(tǒng)模型

圖9 (a)輸入視頻圖像(b)邊緣檢測結(jié)果

4 結(jié) 語

給出了一種基于FPGA 和System Generator 模型化設(shè)計(jì)方法的圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺，并在該平臺上實(shí)現(xiàn)了基于Sobel 算子的實(shí)時圖像邊緣檢測算法。該實(shí)驗(yàn)平臺適用于圖像處理方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新活動。目前已經(jīng)在我校電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心投入使用，主要面向高年級本科生和研究生，為高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了有效途徑。

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