（控制理论与控制工程专业论文）基于eda技术的图像边缘检测协处理器研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术是随着集成电路和计算机技 术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。e d a 工 具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、图论与拓扑 逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新成果研制的计算机辅助设计通用软件 包。e d a 是电子设计技术的发展趋势，是现代电子设计技术的核心，利用e d a 工 具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。 在嵌入式图形系统处理领域，图像处理的速度问题一直是一个很难突破的 设计瓶颈。本文在介绍一种全新的d s p + c p l d 图像处理系统工作原理的基础上， 阐述了一个基于e d a 技术的、用f p g a 实现的图像边缘检测协处理器的设计，包 括边缘检测算法选择、系统的f p g a 实现设计和有关仿真结果等。该协处理器的 像素处理方式采用全硬件若行及流水线技术，比单独采用单片机和d s p 的系统， 其处理速度分别提高了4 0 0 倍和1 0 倍，同时该系统集成在一块集成芯片上，体积 小，功耗低可靠性高，并可现场编程，在线升级。 本图像处理系统采用d s p + f p g a c p l d 的设计方案，整个系统的组成简单明 了。其中图像传感器c c d 的主要功能是获取外界图像的各个像素点灰度值：图 像主处理器采用数字信号处理器d s p ，主要负责对图像传感器传送的灰度信息进 行存储，并负责调用协处理器进行进行边界像素判别，找出感兴趣的目标对象， 并得到该对象的运动信息，以便控制执行装置进行位置跟踪；图像协处理器为 f p g a c p l d ，主要完成主处理器传送过来的像素的边界判别，并把处理结果返回 到主处理器中。 关键词：边缘检测，图像处理，s o b l e 算法，并行流水算法 垦墨翌三查兰堡主皇堕笙苎 a b s t r a c t e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) t e c h n o l o g yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yc a m ei n t ob e i n gas e n i o r , r a p i da n de f f i c i e n te l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o nt o o l s e d at o o l sa r cc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rb a s i cp l a t f o r ms e t sd a t a b a s e ， s c h o l a r s h i p ，t h e o r y a n d o r d e r l o g i c ，m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o n s ，o p t i m i z a t i o nt h e o r y , m u l t i d i s c i f l i n a r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h el a t e s ta c h i e v e m e n t so fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n s o f t w a r ep a c k a g eu s e d e d ae l e c t r o n i cd e s i g nt e c h n o l o g yi st h ed e v e l o p m e n tt r e n di st h ec o r e o fm o d e me l e c 灯o n i cd e s i g nt e c h n o l o g i e s t h eu s eo fe d at o o l sc a nr e p l a c et h ed e s i g no f e l e c t r o n i cs y s t e m sd e s i g n e r st oc o m p l e t et h eb u l ko ft h ew o r k i na l le m b e d d e dg r a p h i c sp r o c e s s i n gs y s t e mf i e l di m a g ep r o c e s s i n gs p e e dh a sb e e nad i f f i c u l t b r e a k t h r o u g hd e s i g nb o t t l e n e c k t h i sa r t i c l ei n t r o d u c i n gan e wd s p + c p l di m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mb a s e do np r i n c i p l e so nab a s i se d at e c h n o l o g y , t h eu s eo ff p g ai m a g e sl o rl h cd e s i g no f t e s t i n gf o rp r o c e s s o r s ，i n c l u d i n gm a r g i n a ld e t e c t i o na l g o r i t h ms e l e e t i 0 丑，s y s t e md e s i g na n df p g a a c h i e v et h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h es o c i e t yp r o c e s s o r sp i x e l sa p p r o a c hu s e dt h r o u g h o u tt h e h a r d w a r ep a r a l l e ll i n e sa n dt e c h n o l o g yu s i n gd a n p i a n j it h a ns e p a r a t ed s ps y s t e ma n dt h e p r o c e s s i n gs p e e dw e r ei n c r e a s e d4 0 0t i m e sa n d1 0t i m e s w h i l et h es y s t e mi n t e g r a t i o ni nam a s t e r c h i p ，s m a l ls i z e ，l o w - c o n s u m p t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , a n do n - s i t ep r o g r a m m i n g ，o n l i n ep r o m o t i o n t h ei m a g e - p r o c e s s i n gs y s t e mu s e dd s p + f p g a c p l dd e s i g np r o g r a m m e s ，t h ec o m p o s i t i o n o ft h ee n t i r es y s t e ms i m p l e ，c c di m a g es e u s o rw h i c hi st h em a i nf u n c t i o no ft h ea c q u i s i t i o no f i m a g e sf r o mv a r i o u sp o i n t su s i n gp i x e l sv a l u e ；i m a g e su s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sa sd s p p r o c e s s o r s ，m a l t f l yr e s p o n s i b l ef o rt h et r a n s r a j s s i o uo fi m a g e ss e l l $ o su s i n gi n f o r m a t i o ns t o r e d ， a n df o ru s ef o rp r o c e s s o r st oc a r r yo u tb o r d e rp i x e l sw a n tt oi d e n t i f yt h et a r g e ta u d i e n c ei n t e r e s t e d w i t ht h eo b j e c to fi n f o r m a t i o nc a m p a i g n si no r d e rt oc o n t r o li m p l e m e n t a t i o no fl o c a t i o nt r a c k i n g d e v i c e s ；i m a g es o c i e t y f o rf p g a c p l dp r o c e s s o r s , t h em a i nc o n c l u s i o nf r o mt h em a i n p r o c e s s o r st r a n s m i s s i o np i x e l sb o r d e rj u d g e ，a n dt h er e s u l t sr e t u r nt ot h em a i np r o c e s s o r k e yw o r d s ：m a r g i n a ld e t e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，s o b l ea l g o r i t h m s p a r a l l e lf l o w a l g o r i t h m s i i 独创性声明 y 8 6 0 8 2 3 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人， 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：燮垒哆日期：趔：妄：! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：篓垒望导师签名：! 至坚日期：筮脚 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术是随着集成电路和计算机技 术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。e d a 工 具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、圉论与拓扑 逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新成果研制的计算机辅助设计通用软件 包。e d a 是电子设计技术的发展趋势，是现代电子设计技术的核心，承j 用e d a 工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。 1 ) e d a 技术的发展历程 e d a 技术随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了一个由浅 到深的过程。二十世纪7 0 年代，随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手 工制图设计印制电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求， 因此工程师开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，以便解脱繁杂、机械的 版图设计工作，这就是第一代的e d a 工具。到了8 0 年代，为了适应电子产品在 规模和制作上的需要，应运出现了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二 代e d a 技术，其特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产品开发的设 计、分析、仿真、+ 测试等各项工作。9 0 年代后，e d a 技术继续发展，出现了以 高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代e d a 技术，通常也称为 e s d a ( e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ) 阶段。在这个阶段，人们开 始追求贯彻整个设计过程的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解放出来， 把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品 的研制周期n 1 。 2 ) e d a 技术的基本特征 现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能 力。e s d a 代表了当今电子设计技术的最新发展方向，e s d a 主要采用并行工作 和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划 武汉理工大学硕士学位论文 分和结构设计：在方框图一级进行仿真、纠错，并用v h d l 、v e r i l o g h d l 、 a b e l 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述：在系统一级进行验证，最 后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。大规模可编程逻辑器件是e d a 技 术将电子设计的电路功能和技术指标具体实现的硬件载体。其中a s i c ( 专用集 成电路) 器件是最终的物理平台。而f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) 和c p l d ( 复 杂可编程逻辑器件) 是目前使用最为广泛的主流产品，它们面向用户，具有极 大的灵活性和通用性，成为可编程专用i c ，允许用户“在系统中”编程和修改 逻辑，给使用者提供了在不修改系统硬件的条件下重构系统的能力和硬件升级 能力，使硬件修改交得像软件修改一样方便。当产品定型和产量扩大后，可将 在生产中得到充分检验并经多次修改完善的电子设计迅速地进行a s i c 投产0 1 。 1 1 2 课题研究的目的及意义 在嵌入式图形系统处理领域，图像处理的速度问题一直是一个很难突破的 设计瓶颈。借这次研究我拟用一种全新的d s p + c p l d 图像处理系统工作原理的 基础上，阐述了个基于e d a 技术的、用f p g a 实现的8 0 0 6 0 0 像素的图像边 缘检测协处理器的设计，包括边缘检测算法选择、系统的f p g a 实现设计和有关 仿真结果等。该协处理器的像素处理方式采用全硬件并行及流水线技术，比单独 采用单片机和d s p 的系统，其处理速度分别提高了4 0 0 倍和1 0 倍，同时该系统集 成在一块集成芯片上，体积小，功耗低，可靠性高，并可现场编程，在线升级。 在本设计中，对一幅( 8 0 0 6 0 0 ) 的图像，若单独使用m c s 5 1 ( 1 2 m 晶振) 进行处理，所 耗时间为：8 0 0x 6 0 0 1 2 ( 8 4 + 8 ) 1 2 m = 1 9 2 s ；而单独采用六级指令流水线的 d s p ( 4 0 m 晶振) 器件，所耗时间为：8 0 0 6 0 0 ( 8 4 + 8 ) 4 0 m = 4 8 0 m s ；利用f p g a c p l d 器件，采用全硬件并行流水线方案，处理时间为：8 0 0 6 0 0 5 5 0 m = 4 8 m s ，它相对 于d s p 提高了1 0 倍，而相对于m c u ，其速度提高了4 0 0 倍。同时该系统集成在一块集成芯片上， 体积小，功耗低，可靠性高，并可现场编程，在线升级。 1 2 课题研究的现状 e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术是随着集成电路和计算机技 武汉理工大学硕士学位论文 术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。e d a 工 具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、图论与拓扑 逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新成果研制的计算机辅助设计通用软件 包。e d a 是电子设计技术的发展趋势，是现代电子设计技术的核心，利用e d a 工 具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。 传统的电子产品设计和制造在批量生产前必须经历书面设计、硬件搭试、 制作样机三个阶段，硬件搭试很费时间，往往因接线紊乱和接触不良而带来麻烦 所用器件越多，搭试难度越大，系统复杂到一定程度时，这种搭试就不可行了，而 e d a 技术改变了电子产品设计的方法，用仿真代替硬件搭试。即在计算机上建立 起系统的模型并进行调试分析或加进合适的测试信号对所建模型测试，以验证 系统是否符合预期的设计，如不符合再修改，直至满足设计要求，这样在制作样 机前就可以做到1 0 0 准确，且设计速度快、成本低、可靠性高”3 。 现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能 力。e s d a 代表了当今电子设计技术的最新发展方向，e s d a 主要采用并行工作 和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划 分和结构设计：在方框图一级进行仿真、纠错，并用v h d l 、v e r i l o g h d l 、 a b e l 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述：在系统一级进行验证， 最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。太规模可编程逻辑器件是e d a 技术将电子设计的电路功能和技术指标具体实现的硬件载体。其中a s i c ( 专用 集成电路) 器件是最终的物理平台。而f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) 和c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 是目前使用最为广泛的主流产品，它们面向用户，具 有极大的灵活性和通用性，成为可编程专用i c ，允许用户“在系统中”编程和 修改逻辑，给使用者提供了在不修改系统硬件的条件下重构系统“1 。 在嵌入式图形系统处理领域，图像处理的速度问题一直是一个很难突破的设 计瓶颈。一般情况下，控制领域及数据处理领域几乎是单片机和数字信号处理器 的天下，但是在数据处理量大，实时性要求更为苛刻的场合，传统的m c u 根本无 法适应实时大批量数据处理场合，而d s p 虽然具备指令流水线和很高的处理速 度，但是由于其本质仍然是依靠串行执行指令来完成相应的图像处理算法，所以 其处理速度依然很受限制，因而基于速度、系统集成和产品升级等角度考虑，采 用现代电子设计的最新技术e d a 技术，使用高速可编程逻辑器件c p l d f p g a 自 行开发有关处理芯片成了一种全新的解决方案。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的内容 在本系统中，主处理器拟选用德州公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 ，协处理器 采用a lt e r a 公司的f le x i o k 2 0 自行开发设计。通过采用lp m 兆功能块定制方 法和v h d l 自编程的方式完成了设计和调试，经分析仿真结果，达到了设计要 求。用该协处理器的像素处理方式采用全硬件并行及流水线技术，比单独采用单 片机和d s p 的系统，其处理速度分别提高了4 0 0 倍和1 0 倍，同时该系统集成在一 块集成芯片上，体积小，功耗低，可靠性高，并可现场编程，在线升级。 1 ) 设计输入 设计开始首先须利用e d a 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用 文本方式( 如v h d l 程序) 或图形方式( 原理图、状态圈等) 输入表达出来。a l t e r a 公司的砌l x p l u si i 软件能很好支持这些输入方式。原理图输入是一种类似 于传统电子设计方法的原理图编辑输入方法，比较容易掌握，直观方便，但由 于图形文件的不兼容性，使得性能优秀的电路模块移植和再利用十分困难。当 然最一般化、最具普适性的输入方法是v h d l 程序的文本方式，这种方式最为通 用。 2 ) 逻辑综合和优化 综合就是利用e d a 软件系统的综合器将v h d l 的软件设计与硬件的可实现性 挂钩，这是将软件转化为硬件电路的关键步骤。综合器对源文件的综合是针对 某一f p g a c p l d 供应商的产品系列的，因此，综合后的结果具有硬件可实现性。 m a x p l u si i 提供了良好的逻辑综合与优化功能，能将设计的逻辑级电路图或 v h d l 源程序自动地转换为门级电路，并生成相应的网表文件、时序分析文件和 各种报表。综合的过程具有明显的能动性和创造性。 3 ) 适配 综合通过后必须利用f p g a c p l d 布局布线适配器将综合后的网表文件针 对莱一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、 逻辑优化、布局布线等操作。适配后产生时序仿真用的网表文件和下载文件，如 je d 或p o f 文件。适配对象直接与器件的结构细节相对应。 4 ) 仿真 武汉理工大学硕士学位论文 通常，在设计过程中每一个阶段都要进行仿真验证其正确性。在综合前， 要进行行为仿真，将v h d l 源程序直接送到v h o l 仿真器中仿真，此时的仿真只 是根据v h d l 的语义进行的，与具体电路没有关系。综合后，可利用产生的网表 文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。功能仿真仅对设计 描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求， 仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延迟特性。时序仿真根据适配后产生 的网表文件进行的仿真，是接近真实器件运行的仿真，仿真过程中已将器件硬 件特性考虑进去了，因此仿真精度要高得多。时序仿真的网表文件中包含了较 为精确的延迟信息。 5 ) 编程下载 如果以上的所有过程，包括源程序、综合、适配和行为仿真、功能仿真、 时序仿真都没有发现问题，即满足原设计的要求，就可以将适配器产生的配置 下载文件通过f p g a c p l d 编程器或下载电缆载入目标芯片f p g a 或c p l d 9 “”3 。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体架构设计 本文针对图像边缘检测课题中所需解决的图形处理速度问题提出了相应的 总体构想和系统框图。 2 1 图象边缘检测的基本内容 边缘检测是图像处理中的重要内容。边缘是图像的最基本特征。所谓边缘， 是指周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合。p o g g i o 曾指出： “边缘或诲对应着图像中物体( 的边界) 或许并没有对应蓿图像中物体( 的边 界) ，但是边缘具有十分令人满意的性质，它能大大地减少所要处理的信息但是 又保留了图像中物体的形状信息。”并定义边缘检测为“主要是( 图像的) 灰度变 化的度量、检测和定位”。边缘与图像中物体的边界有关但又是不同的。边缘反 映的是图像灰度的不连续。 边缘在边界检测、图像分割、模式识别、机器视觉等中有很重要的作用。 边缘是边界检测的重要基础，也是外形检测的基础。边缘广泛存在于物体 与背景之间、物体与物体之间，基元与基元之间，因此它也是图像分割所依赖 的重要特征。 边缘检测对于物体的识别也是很重要的。主要有以下几个理由： 首先，人眼通过追踪未知物体的轮廓( 轮廓是由一段段的边缘片段组成的) 而扫视一个未知的物体。 第二，经验告诉我们：如果我们能成功地得到图像的边缘，那么图像分析就 会大大简化，图像识别就会容易得多。 第三，很多图像井没有具体的物体，对这些图像的理解取决于它们的纹理 性质，而提取这些纹理性质与边缘检测有极其密切的关系。 计算机视觉处理可以看作是为了实现某一任务从包含有大量的不相关的变 量中抽取不变量，总之就是简化信息。这就意味着要扔掉一些不必要的信而尽 可能利用物体的不变性质。而边缘就是最重要的不变性质：光线的变化显著地影 武汉理工大学硕士学位论文 响了一个区域的外观，但是不会改变它的边缘。更重要的是人的视觉系统也是 对边缘很敏感的。 边缘检测的方法主要有以下几种： 第一种检测梯度的最大值。由于边缘发生在图像灰度值变化比较大的地方， 对应连续情形就是说是函数梯度较大的地方，所以研究比较好的求导算子就成 为一种思路。r o b e r t s 算子、p r e w i t t 算子和s o b e l 算子等就是比较简单而常用 的例子。还有一种比较直观的方法就是利用当前像素邻域中的一些像素值拟合 一个曲面，然后求这个连续曲面在当前像素处梯度。从统计角度来说，我们可 以通过回归分析得到一个曲面，然后也可以做类似的处理。 第二种是检n x 阶导数的零交叉点。这是因为边缘处的梯度取得最大值( 正 的或者负的) ，也就是灰度图像的拐点是边缘。从分析学上我们知道，拐点处函 数的二阶导数是0 。 第三种，统计型方法。比如说利用假设检验来检测边缘，d h m a r i m o n t 在中利用对二阶零交叉点的统计分析得到了图像中各个像素是边缘的概率，并 进而得到边缘检测的方案。 第四种，小波多尺度边缘检测。九十年代，随着小波分析的迅速发展，小 波开始用于边缘检测。作为研究非平稳信号的利器，小波在边缘检测方面具有 得天独厚的优势。 2 2 系统的基本设计结构 本图像处理系统采用d s p + f p g a c p l d 的设计方案，黎个系统的组成如图 所示。其中图像传感器c c d 的主要功能是获取外界图像的各个像素点灰度值； 图像主处理器采用数字信号处理器d s p ，主要负责对图像传感器传送的灰度信 息进行存储，并负责调用协处理器进行进行边界像素判别，找出感兴趣的目标 对象，并得到该对象的运动信息，以便控制执行装置进行位置跟踪；图像协处 理器为f p g a c p l d ，主要完成主处理器传送过来的像素的边界判别，并把处理 结果返回到主处理器中。 武汉理工大学硕士学位论文 l 图象传感器l 一、 i ( c c d 或c u o s ) r 1 7 【- - - - - - - ，一 图1 图象处理系统的组成框图 2 2 1d s p 主处理器构成及主要功能 n 位置f 一- f 跟踪i 由于本文的重点是在协处理器部分，因此对d s p 主处理器部分作简要的介 绍。在本系统中，主处理器选用德州公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 。图像主处理 器采用数字信号处理器d s p ，主要负责对图像传感器传送的灰度信息进行存储， 并负责调用协处理器进行进行边界像素判别，找出感兴趣的目标对象，并得到 该对象的运动信息，以便控制执行装置进行位置跟踪。 主处理器功能特点如下： ( 1 ) 全双工通信。 ( 2 ) 双倍的发送缓冲和三倍的接收缓冲数据寄存器，允许连续的数据流传 输。 ( 3 ) 独立的数据发送和接收帧同步脉冲和时钟信号。 ( 4 ) 可编程帧同步、数据时钟极性，支持外部移位时钟或内部频率可编程 移位时钟。 ( 5 ) 利用d s p 提供的d 姒功能，m c b s p 串口可以脱离c p u 的控制，直接内存 存取单独运行。 ( 6 ) 多通道发送和接收功能使串口具备了多通道信号通信能力，最多可达 1 2 8 个通道。 ( 7 ) 传输数据宽度可以是8 位、1 2 位、2 0 位、2 4 位、3 2 位。 ( 8 ) 8 位数据传输，可以选择l s b 先传或是m s b 先传。 ( 9 ) 内置瞎、a 律硬件压缩和扩展。 ( 1 0 ) 可与s p i 、t o m 一2 、a c 9 7 等兼容设备直接接口，可以和工业标准的编 8 武汉理工大学硕士学位论文 解码器、模拟接口芯片( m c s ) 芯片以及串行a d c 、串行d a c 芯片直接接口。 2 2 2 边缘检测协处理器基本构成及主要功能 确定图像中的物体边界的方法是检测每个像素和其直接邻域的状态，以决 定该像素是否确实处于个物体的边界上。具有所需样收的像素被标为边缘点、 当图像中各个像素的灰度级用来反映各像素符合边缘像素要求的程度时，这种 图像被称为边缘图像或边缘图。它也可以用仅表示了边缘点的位置而没有强弱 程度的二值图像来表示对边缘方向而不是( 或附加于) 幅度进行编码的图像叫 做含方向边缘图。 一幅边缘图通常用边缘点勾画出各个物体的轮廓，但很少能形成图像分割 所需要的闭合且连通的边界。因此需要另一个步骤才能完成物体的检测过程。 边缘点连接就是一个将邻近的边缘点连接起来从而产生一条闭合的连通边界的 过程。 本文中该协处理器的像素处理方式采用了全硬件并行及流水线技术，通过 采用l p m 兆功能块定制方法和v h d l 自编程的方式完成了设计和调试，经分析仿 真结果，达到设计要求。它采用模块化设计和线性流水阵列结构( 见图1 ) 。这 种线性流水阵列结构具有以下特点： ( 1 ) 接口简单。各检测单元之间采用统一的外部接口。 ( 2 ) 易于扩充和维护。各个检测单元的内部结构基本相同，而且外部接口统 一，所以系统很容易根据需要进行硬件的配置和扩充。当某个模块出现故障时 也易于更换。 ( 3 ) 处理模块的规范结构能够支持多种处理模式，可以适应不同的处理算 法。 这套系统对图像有多项检测项目，如：边缘跟踪、边缘检测、边缘连接等。 大部分检测项目都是通过c c d 摄像，通过a d 转换的图像采集后送给d s p 处理 器，d s p 处理器再经过各种算法融合分析，与协处理器边界像素判别进行对比， 从而勾画出物体的轮廓，数据的处理量是非常大的。因而从图像检测的实时性、 速度、系统集成和产品升级等角度考虑，采用现代电子设计的最新技术e d a 技 术，使用高速可编程逻辑器件c p l d f p g a 自行开发研究处理芯片成了一种全新 9 武汉理工大学硕士学位论文 的解决方案。 针对图像边缘检测的实时性要求，利用e d a + c p l d f p g a 技术的基本原理设 计了针对图像检测部分的协处理器。图像采集和处理在主处理器中完成，图像 分析在协处理器中完成。整个系统的设计采用了d s p + f p g a 的计算结构，d s p + f p g a 结构的最大特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而提高算 法效率。同时开发周期较短，系统易于维护和扩展，很适于实时的信号处理。 在实时的信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理的 速度要求高，但是运算结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现，这样兼 顾了速度和灵活性。高层处理算法的特点是数据量较低层而言算法少，但算法 结构复杂，适用于运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实 现。 2 ，3 系统软件设计 软件设计主要是图像边缘检测的图像处理程序。如果一个像素落在图像中 某一个物体的边界上，那么它的邻域将成为一个灰度级变化的带。一幅边缘图 通常用边缘点勾画出各个物体的轮廓，但很少能形成图像分割所需要的闭合且 连通的边界。因此需要另一个步骤才能完成物体的检测过程。边缘点连接就是 一个将邻近的边缘点连接起来从而产生一条闭合的连通边界的过程。这个过程 填补厂因为噪声和阴影的影响所产生的间隙【矧。个典型的图像信息处理系统 通常包含多种算法，对于图像低层处理算法通常用f p g a 来实现，高层处理算法 用d s p 来实现。系统将这些算法分配给各处理器，各处理器再以流水线或并行 方式完成各自的处理任务，从而提高工作效率。 在这次研究中，我们采用了v h d l 语言。v h d l 主要用于描述数字系统的结构、 行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语句形式和 描述风格与句法十分类似与一般的计算机高级语言。“。v h d l 的程序结构特点是 将一项工程设计分成外部和内部，即设计实体的内部功能和算法完成部分。在 对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其它的设诗就可 以直接调用这个实体。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的，具体如下； ( 1 ) 与其它的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力。强大的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系 统的重要保证。就目前流行的e d a 工具和v h d l 综合器而言，将基于抽象的行为 描述风格的v h d l 程序综合成为具体的f p g a c p l d 等目标器件的网表文件已不成 问题，只是在综合与优化效率上略有差异。 ( 2 ) v h d l 语言具有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早 期，就能查验设计系统的功能可行性，随时对系统进行仿真模拟，使设计者对 整个工程的结构和功能可行性做出判断。 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计 的分解和已有设计的在利用功能。符合市场需求的大规模系统高效、高速的完 成必须有许多人甚至多个开发组共同并行工作才能实现，v h d l 中设计实体的概 念、程序包的概念、设计库的概念为设计的分解和并行工作提供了有利的支持。 ( 4 ) 用v h d l 完成一个确定的设计，可以利用e d at 具进行逻辑综合和优化， 并自动把v h d l 描述设计转变成门级网表( 根据不同的实现芯片) 。这种方式突 破了门级设计的瓶颈，极大的减少了电路设计的时间和可能发生的错误，降低 了开发成本。利用e d a 工具的逻辑优化功能，可以自动地把一个综合后的设计 变成一个更小、更高速的电路系统。反过来，设计者还可以容易地从综合和优 化的电路获得设计信息，返回去更新修改v h d l 设计描述，使之更加完善”“。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性。设计者可以不懂硬件的结构，也 不必管最终设计的目标器件使什么，而进行独立的设计。正因为v h d l 的硬件描 述与具体的工艺技术和硬件结构无关，所以v h d l 设计程序的硬件实现目标器件 有广阔的选择范围，其中包括各种系列的c p l d f p g a 及各种门阵列器件。 ( 6 ) 由于v h d l 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于完成的设计， 在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易地改变设计的 规模和结构。t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的主要特性如下： ( 1 ) 先进的多总线结构( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) 。 ( 2 ) 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括一个4 0 位桶行移位器和两个独立 的4 0 位累加器。 ( 3 ) 1 7 位x1 7 位并行乘法器与4 0 位专用加法器相连，用于非流水线式单 周期乘法累加( m a c ) 运算。 ( 4 ) 比较、选择、存储单元( c s s u ) 用于v i t e r b i 操作的加法比较选择。 ( 5 ) 指数编码器可以在单个周期内计算4 0 位累加器中数值的指数。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 双地址生成器包括8 个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术运算单元 ( a r a u ) 存储器。 ( 7 ) 6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器以及i o 空间。同时在c 5 4 0 2 中 程序存储器可以扩展。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章图像边缘检测硬件设计 本课题所研究的这套数字图像处理系统中，数据采集数据量庞大，因此在 数据采集部分，本文提出了一种基于e d a 的实时图像采集系统的控制逻辑设计 方案。这个方案是以f p g a 为核心芯片的高速图形采集系统，利用f p g f i 的在系 统可编程以及控制逻辑实现方式灵活等特点，设计出图像采集系统。 3 1 图像采集系统的结构 图像采集部分以精度高、可靠性高、灵活性大、易于大规模集成并可获得 高性能指标的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 作为核心部件。利用f p g a 的在系统可编程以及控制 逻辑实现方式灵活等特点，设计出图像采集系统。其系统结构如图3 1 所示， 主要包括a d 转换部分、帧存部分和核心控制部分。下面分别对这三个部分进 行介绍。 图3 1 图像采集系统结构图 3 1 1a d 转换部分 图像传感器在对某一物体进行成像时，由于场景中不同目标与传感器的距 离可能不同甚至有很大差异，这时想使所有目标都成象清晰是非常困难的，而 采用图像检测技术就能够完成。即针对不同的目标，进行边缘处理，经过判别 处理，提取各自的清晰信息综合成一幅新的图像，便于人眼观察或计算机进一 步处理。e d a + c p l d 技术能够有效地提高图像信息的利用率、系统对目标探测识 别的可靠性。 检测图像采用c c d 摄像机进行图像采集。c c d 的输出为标准p a l 制式，因此 武汉理工大学硕士学位论文 需要进行a d 转化。本系统采用的a d 转换器为飞利浦公司的视频a d 芯片 s m 7 1 1 1 它具有四路视频输入，抗混滤波、梳状滤波都被集成到芯片内部，带来 了极大的方便。场同步信号v s 、行同步信号h s 、奇偶场信号、像素时钟信号l l c 2 都由管脚直接引出，省去了以往的时钟同步电路的设计，可靠性也有所提高。 系统内部锁相环技术的集成使得可靠性和设计复杂度都有极大的降低。 s m 7 1 儿功能示意图( 图3 2 ) ： s m ? 1 1 1 的4 个模拟视频信号输入端a l l l ，a l l 2 ，a l 2 1 ，a l 2 2 输入视频信 号，经模拟处理后，一路通过缓冲器从模拟输出端( a o u t ) 输出用于测试，另一 路经a d 后产生数字色度信号、亮度信号，分别进行亮度信号处理、色度信号 处理。亮度信号处理的结果一路送到色度信号处理器，进行综合处理，产生y 刈， v 信号，经r g b 变换矩阵产生r ，g ，b 信号，根据控制寄存器的设置，从v p o 输 出相应格式的数据。另一路进入同步分离电路，经数字p l l ，产生相应的行、场 同步信号h s ，v s ，同时p l l 驱动时钟发生器，产生与h s 锁定的时钟信号l l c l l c 2 。i 总线接口可通过写片内可编程寄存器控制s a a 7 1 的视频信号处理过 程。 髓臣 | “ l l sv sv r e fr t s 0r t s 匪二卜 l l c l l c 2 c ，啦f r 醛 图3 2s a a 7 1 1 功能示意图 s a a 7 1 l l 主要的应用场合是多媒体、数字电视、图像处理等。s a a 7 1 1 1 的输 出信号： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) v p o ( 1 6 位数据信号) 。s a a t l 对视频信号采样解码，得到的y u v 或 r e d ：信号输出。 ( 2 ) v s ( 场同步信号) 。 ( 3 ) h s ( 行同步信号) 。 ( 4 ) r t s o 。r t s o 为奇偶场信号。 ( 5 ) l l c 。时钟信号，频率为2 7 m h z o ( 6 ) l l c 2 。它是l l c 信号的而分频信号，频率为1 3 5 m h za ( 7 ) r e s 。低电平有效。当电压不足或时钟丢失时，芯片自动复位。在芯片 复位后r e s 持续1 2 8 个l l c 周期为低电平。当r e s 为低时，v p o 为高阻态，i 总线复位。该引脚用于启动视频系统中其他电路复位。 3 1 2d s p 主处理器部分 ，i m s 3 2 0 c 5 4 0 2 是1 f 1 公司t m s 3 2 0 家族的定点d s p ( 数字信号处理器) 芯 片。d s p 可广泛应用于雷达信号处理，无线通信，语音信号处理等。实际上， d s p 技术在工程应用中，就是要用数字信号处理的方式实现系统的功能。d s p 器件采用了与传统微处理器系统不同的总线结构，同时增加了硬件运算单元， 把软件计算变为硬件计算处理，因此极大地提高了系统的数字处理速度。 t 临c 5 4 0 2 的c p u 通过使用改进的哈佛结构，实现了高度的并行运算能力。同时， 多种寻址模式和完善的指令提高了整个系统的性能。”。c 5 4 0 2 主要有以下特点： ( 1 ) 增强的哈佛结构，四条地址总线和四条数据总线。 ( 2 ) 高度并行的先进c p u 设计，性能更好的面向应用的硬件逻辑。 ( 3 ) 为快速算法和高级语言优化设计的专用指令集。 ( 4 ) 标准化的模块结构，适于快速开发。 ( 5 ) 先进的i c 处理技术，提高了性能，降低了电源消耗 3 1 3 图像边缘检测核心控制部分 采集系统的核心控制部分即图像边缘检测协处理器部分，它根据从主处理 器出来的数据对图像的边缘进行边界判别，然后将处理的结果返回到主处理器， 武汉理工大学硕士学位论文 主处理器根据协处理器传来的结果进行处理，恢复图像信息。 国像处理经常应忍予在连续匿像中跟踪移动物体。它从传感器接收图像的 连续流，根据输入图像的数据选择跟踪物体。初始图像不断被加强，然后进行分 割，以定位物体或找出感兴趣的区域。定位物体或区域后，检查出可以最终划分 物体的特征。所有确认物体在后续图像中被跟踪，以确定它的速度和运动方向。 在图像处理中，一幅图像被分割之前，图像中的物体必须被检测并根据形状和边 界特征进行粗略的划分。边界指的是图像中明显的局部变化，它也是图像分析的 重要特征。边缘检测通常是从图像中恢复信息的第一。 3 2 采样系统的工作原理 系统复位完成f p g a 程序加载后，先由c 5 4 0 2 对s a a 7 1 1 初始化，初始化结 束后等待采集图像的命令。初始化成功后，s a a 7 1 1 l 实时处理模拟视频信号，输 出亮度和色度信号，同时输出点时