FPGA圖像處理方法詳解

圖像在采集和傳輸?shù)倪^(guò)程中，通常會(huì)產(chǎn)生噪聲，使圖像質(zhì)量降低，影響后續(xù)處理。因此須對(duì)圖像進(jìn)行一些圖像濾波、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。為改善圖像質(zhì)量，去除噪聲通常會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理 ，這樣既能去除噪聲，又能保持圖像細(xì)節(jié)。

FPGA圖像處理方法

1、圖像增強(qiáng)

兩大方法：空間域方法和時(shí)間域方法（以后再詳述）

2、圖像濾波

（1）平滑空間濾波器

（2）中值濾波算法

3、圖像邊緣檢測(cè)

邊緣指圖像局部強(qiáng)度變化最顯著的部分。邊緣主要存在與目標(biāo)與目標(biāo)、目標(biāo)與背景、區(qū)域與區(qū)域（不同色彩）之間，邊緣檢測(cè)是圖像分割、紋理特征和形狀等圖像分析的基礎(chǔ)。

4、圖像目標(biāo)提取算法

（1）相鄰幀差法

對(duì)相鄰的兩幀圖像求差，將圖像中的目標(biāo)位置和形狀顯示出來(lái)，差分后的圖像不為零的即為目標(biāo)。在兩幀圖像中，灰度值沒(méi)有變化的部分被剪掉，主要是背景和一些小部分目標(biāo)。

由檢出的部分大致可以確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置，但是該方法的確定是當(dāng)物體的位移較小時(shí)，難以確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向并且在目標(biāo)的內(nèi)部產(chǎn)生空洞。

（2）光流法

（3）背景幀差法

此方法選取一副圖像作為背景圖像，用采集到的圖像與背景圖像差分，在背景圖像選取合適的時(shí)候，能比較準(zhǔn)確地分割出目標(biāo)物體。速度快，易于實(shí)現(xiàn)，并能提供完整的運(yùn)動(dòng)區(qū)域信息。

具體原理圖：

如上圖，首先將背景圖像和當(dāng)前圖像進(jìn)行差分，得到兩幅圖像的背景差圖像（從存儲(chǔ)器中提取出亮度分量得到灰度圖像，經(jīng)過(guò)圖像的中值濾波等處理后，進(jìn)入圖像檢測(cè)算法模塊；然后只需將兩幅圖像中對(duì)應(yīng)的像素相減后再取絕對(duì)值即可得到背景差圖像），采用直方圖統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)確定圖像的 二值化閾值（閾值一般設(shè)定為G分量的平均值），最后對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，提取出目標(biāo)的輪廓。

求背景差 VHDL代碼實(shí)現(xiàn)：

5、注意點(diǎn)

（1）視頻輸入設(shè)備的采樣頻率和FPGA的晶振頻率通常不一樣，因此會(huì)產(chǎn)生異步時(shí)鐘域的問(wèn)題，因此可以先將采集的圖像數(shù)據(jù)存入到FIFO中，然后再存進(jìn)SRAM中。

（2）不同時(shí)鐘域之間會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)情況：當(dāng)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘域的交界處時(shí)，將會(huì)分別由兩個(gè)時(shí)鐘來(lái)控制信號(hào)的值，此時(shí)如果兩時(shí)鐘信號(hào)的敏感延非常接近，將出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)不穩(wěn)定的情況。

圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

從攝像頭采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)入FIFO緩沖器中，存滿一行的數(shù)據(jù)后，再由SRAM控制器讀取到SRAM中。注意：采集的視頻圖像數(shù)據(jù)是隔行掃描的，即先傳奇數(shù)場(chǎng)再傳偶數(shù)場(chǎng)，為了后續(xù)圖像處理的方便操作，須將兩場(chǎng)數(shù)據(jù)合并為完整的一幀圖像。

具體方法：先將奇數(shù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)以隔行的方式存在SRAM中，即奇數(shù)場(chǎng)的第一行存在SRAM的第一行，第二行存在SRAM的第三行，與第一行相隔一行的地址空間，直到行數(shù)據(jù)全都發(fā)送完畢，然后開(kāi)始存放偶數(shù)場(chǎng)，第一行放在第二行等等。

內(nèi)部控制器controller根據(jù)異步FIFO的滿空狀態(tài)來(lái)使能SRAM控制器，當(dāng)FIFO滿狀態(tài)有效空狀態(tài)無(wú)效時(shí)，SRAM開(kāi)始從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。

使用FIFO的目的：避免亞穩(wěn)態(tài)。由于采集頻率和FPGA的時(shí)鐘頻率不同，為異步時(shí)序電路。且數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO后時(shí)鐘信號(hào)統(tǒng)一為系統(tǒng)時(shí)鐘。

異步FIFOzho中包含：寫(xiě)地址產(chǎn)生，讀地址產(chǎn)生和一個(gè)雙口RAM。