0引言
邊緣檢測技術是圖像處理的一項基本技術，在工業(yè)、航天、醫(yī)學、軍事等領域中有著廣泛的應用。邊緣檢測算法的實現涉及復雜的計算步驟，故對處理速度有較高要求。采用FPGA器件實現系統(tǒng)設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，是一種被廣泛應用的算法。Sobel算法依據圖像邊緣的灰度值會產生突變的原理，來對像素的灰度值進行處理。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責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算法對此像素窗進行處理，以判斷中心像素是否為邊緣像素；輸出處理模塊負責后續(xù)處理任務(如生成完整的邊緣圖像)。
2.1 系統(tǒng)設計思路
本文主要討論邊緣檢測模塊的設計。這里使用行為域建模的方式對系統(tǒng)進行算法描述。該方法可以使系統(tǒng)行為與結構相分離，設計者只需對系統(tǒng)的功能進行算法描述而不必關心系統(tǒng)具體的硬件構成方式。這種設計方法在設計過程中借鑒了軟件設計的靈活性優(yōu)點，而設計結果則是具有高運算速度的硬件電路。
這種設計思路不必依次設計加法器、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：一是對像素窗進行四個方向濾波；二是對濾波值進行決斷。因此，可采用狀態(tài)機方式來描述系統(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的初始狀態(tài)，此狀態(tài)下不進行任何處理動作。如果模塊接收到有效的檢測啟動信號，則轉入FILTER狀態(tài)。在此狀態(tài)下，模塊對輸入的像素窗進行四個方向的濾波處理。下一時鐘周期到來后則轉入JUDGE狀態(tài)，此狀態(tài)下，模塊進行邊緣判斷，并輸出相應結果。經過這樣一個過程后，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，則轉入FILTER狀態(tài)并處理下一個像素窗，否則轉入IDLE狀態(tài)待命。
2.2系統(tǒng)實體設計
依據上述設計思路，可以設計出如圖4所示的邊緣檢測模塊的頂層實體。其中START為來自外界的檢測啟動信號輸入，用于啟動邊緣檢測；CLK為時鐘信號輸入，是狀態(tài)機的驅動時鐘；數據輸入端口P0～P7分別接收像素窗中相應像素的8位灰度值；POUT為檢測結果灰度輸出，輸出0表示非邊緣像素，輸出255表示邊緣像素；DIR為方向輸出；FINISH為檢測結束信號輸出，用于配合其它模塊協(xié)同工作。
2.3系統(tǒng)行為描述
由于設計采用行為建模，因此，系統(tǒng)描述不涉及任何硬件器件以及連接相關，只需在結構體中設置兩個進程來描述狀態(tài)機，并定義相關變量和函數就可以完成對此系統(tǒng)的描述。
為描述系統(tǒng)行為，首先應定義如下信號：
其中，信號ST表示狀態(tài)機狀態(tài)；HF、VF、LF、RF分別用于存儲四個方向濾波值；MAG存儲依據四個濾波值得出的梯度幅度值。
進程CHANGESTATE可完整描述狀態(tài)圖中各狀態(tài)間的轉移關系。此進程由敏感信號CLK進行驅動，并在時鐘上升沿到來時，可通過判斷當前狀態(tài)以及相關轉移條件來確定狀態(tài)機的次狀態(tài)。其完整的代碼如下：
進程STATEBEHAVIOR主要負責處理狀態(tài)機特定狀態(tài)下的行為輸出。此進程由狀態(tài)信號ST作為敏感信號進行驅動。在空閑態(tài)(ST=IDEL)時，系統(tǒng)初始化相應輸出；而在濾波態(tài)(ST=FILTER)時，系統(tǒng)則調用四個函數H_FILTER ()、V_FILTER()、L_FILTER()和R_FILTER()并依照Soble算法進行濾波計算；決斷態(tài)(ST=JUDGE)時，則調用函數MAGNITUDE ()和PHASE ()來計算梯度的大小和方向，并通過決斷后輸出處理結果，同時使檢測結束信號有效(FINISH='1')。其完整代碼如下：
以上全部代碼中使用的數據類型和函數均已在PIXEL_PROCESSING.vhd文件中定義，因此，設計時只需在本VHDL文件中使用use子句將其作為設計庫中的包進行引用即可，其代碼如下：
use work.PIXEL_PROCESSING.all；
通過采用以上VHDL語言行為域進行描述，即可完成基于Soble算法的圖像邊沿檢測模塊的設計。
3仿真分析
采用兩個數據窗可對系統(tǒng)進行功能仿真。從圖5所示的仿真時序中可以看出，兩個時鐘周期可完成一個數據窗的處理，第一個時鐘周期生成濾波值VF、VH、VL和VR，第二個時鐘周期生成幅值MAG并產生判決結果POUT。當用40 MHz時鐘時，若能以此時鐘二分頻的速度連續(xù)產生數據窗，則處理一個像素只需50 ns，也就是說，處理一個800×600的圖像只需24 ms。此時，系統(tǒng)處理速度的瓶頸已不在邊緣檢測模塊，而由其它模塊，如像素窗的生成速度所決定。
除此之外，第二個時鐘周期所產生的有效檢測結束信號(FINISH)既可以作為前端模塊的數據窗發(fā)送信號，也可以作為后端模塊的檢測結果接收信號。該信號對模塊間的協(xié)同工作具有重要的意義。
4結束語
采用FPGA器件實現Soble算法的圖像邊緣檢測具有設計過程簡單，處理速度快等優(yōu)點。該方法將前端的像素窗生成模塊、后端的圖像處理模塊以及其他功能模塊集成至同一FPGA器件中，從而大大提高了系統(tǒng)的集成度。
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