林 青，黃玉蕾，焦 純

(西安培華學(xué)院 中興電信學(xué)院，西安 710125)

基于FPGA的實(shí)時(shí)圖像采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 青，黃玉蕾，焦 純

(西安培華學(xué)院 中興電信學(xué)院，西安 710125)

當(dāng)今社會(huì)通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了視頻技術(shù)的運(yùn)用，而視頻圖像分析技術(shù)在安防、娛樂(lè)、交通等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注并遇到一些挑戰(zhàn)；而近些年FPGA的穩(wěn)定可靠、研發(fā)周期短等特性和該技術(shù)的成熟運(yùn)用為圖像的采集分析提供了一個(gè)新的方向；因此文章研究分析將FPGA運(yùn)用到實(shí)時(shí)圖像采集分析系統(tǒng)的技術(shù)；分析方法從介紹軟硬件基礎(chǔ)入手，硬件分析中主要講解了各個(gè)功能模塊的硬件選則和工作原理，軟件部分分析了圖像處理的算法并通過(guò)仿真檢驗(yàn)算法；最后利用視頻庫(kù)資源的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以完成對(duì)圖像信息的讀取、存儲(chǔ)、算法檢測(cè)、顯示等功能，盡管存在一定的不足；從而得出結(jié)論：基于FPGA芯片技術(shù)為核心的系統(tǒng)可以完成對(duì)實(shí)時(shí)圖像的采集與分析功能，較好地滿足了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

FPGA；實(shí)時(shí)采集；圖像處理

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)生活對(duì)視頻圖像的需求量增長(zhǎng)巨大。通過(guò)對(duì)圖像的處理，可以快速的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別判斷、路線跟蹤、位置定位等任務(wù)。視頻圖像的分析技術(shù)為人類社會(huì)的有序發(fā)展提供了安全保障[1-3]。

近年來(lái)，依托現(xiàn)場(chǎng)可編門陣列FPGA(Field programmable gate arrays)技術(shù)來(lái)加大系統(tǒng)運(yùn)算能力，受到大量研究關(guān)注。使用FPGA芯片可以利用其可編寫特點(diǎn)，提高研發(fā)速率從而搶占市場(chǎng)先機(jī)。使用FPGA及相關(guān)技術(shù)有望滿足市場(chǎng)對(duì)圖像高速分析處理和速度快的要求[4-6]。

2014年，李華等的基于FPGA的彩色圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]；2013年，貢鎮(zhèn)的基于FPGA的實(shí)時(shí)視頻圖像采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[8]。2014年，張智勇等人提出了基于FPGA的紅外圖像處理算法的測(cè)試系統(tǒng)[9]；這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明FPGA技術(shù)越來(lái)越成熟并受到廣泛關(guān)注和運(yùn)用。

本文提出，以基于FPGA技術(shù)來(lái)建設(shè)一個(gè)實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)的有效方案。以FPGA為核心，完成圖像采集模塊，完成圖像信息的采集和輸入，圖像存儲(chǔ)模塊，圖像分析算法以及圖像顯示功能。方案通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得成功，驗(yàn)證了基于FPGA技術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效性。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分，硬件和軟件。硬件部分分為對(duì)圖像信息采集模塊，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及讀取顯示模塊。根據(jù)目的要求，在圖像采集中使用了CMOS數(shù)字圖像傳感器MT9M011，該芯片具有性能穩(wěn)定、簡(jiǎn)單特點(diǎn)，被廣泛用于圖像采集。圖像顯示使用VGA顯示接口，使用數(shù)字存儲(chǔ)器SDRAM作為圖像數(shù)據(jù)緩沖器。

圖1 實(shí)時(shí)圖像采集與分析系統(tǒng)框架

如圖1所示，系統(tǒng)以FPGA控制器為核心，輔助以圖像采集、存儲(chǔ)、顯示電路模塊。

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)上電穩(wěn)定后，F(xiàn)PGA控制中心對(duì)圖像采集器發(fā)送信息，使其進(jìn)入到工作狀態(tài)并按序?qū)D像輸送到控制器中?？刂破鲗?duì)輸入的圖像數(shù)據(jù)先進(jìn)行量化，同時(shí)將10位數(shù)字像素處理成為30位RGB信息。此時(shí)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)起來(lái)也可以經(jīng)過(guò)算法處理用于圖像輸出顯示。30位數(shù)字信號(hào)用于VGA顯示之前，需要通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)供于終端顯示器。

另一方面需要對(duì)實(shí)時(shí)采集到的圖像信息處理進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別判斷。目標(biāo)識(shí)別需要對(duì)實(shí)時(shí)獲取的圖像進(jìn)行特征提取，然后與目標(biāo)圖像作對(duì)比。由于采集的圖像存在背景和其它干擾信息，需要對(duì)多個(gè)采集圖像建模，提高對(duì)個(gè)體比較的準(zhǔn)確率。使用合適的圖像處理算法去除背景噪音，快速的提取實(shí)時(shí)圖像的特征信息。

系統(tǒng)設(shè)定對(duì)圖像采集大小為320X240，對(duì)圖像的接受格式為SXGA；系統(tǒng)設(shè)定以27 MHz時(shí)鐘頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；圖像的存儲(chǔ)位置設(shè)定優(yōu)先SRAM-A，顯示模塊中，輸出圖像大小為320X240，，幀數(shù)20/s。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)圖像采集模塊

本方案中，使用的是CMOS型數(shù)字圖像傳感器MT9M011，輸出SXGA格式。芯片內(nèi)部將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)成10位數(shù)字信號(hào)輸出。另外該芯片內(nèi)部包含I2C總線控制，所以操作容易，時(shí)序簡(jiǎn)單，利于控制器的編程控制。

如圖2所示，圖像采集器與控制器連接接口示意圖。MT9M011雖然有許多的引腳，但是與控制器主要接口是主時(shí)鐘、總線控制、場(chǎng)有效信號(hào)、行有效信號(hào)、像素時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出為0～9。主時(shí)鐘線是FPGA用來(lái)給圖像采集芯片提供主時(shí)鐘。 使用場(chǎng)有效信號(hào)、行有效信號(hào)、像素時(shí)鐘配合IO來(lái)輸出10位數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)流。

圖2 圖像采集器與控制器連接

I2C總線控制是相當(dāng)重要的，控制器通過(guò)總線中的SCLK和SDATA來(lái)完成對(duì)圖像采集傳感器的設(shè)置。因?yàn)榭偩€可對(duì)MT9M011得內(nèi)部寄存器設(shè)置進(jìn)行改寫、配置、編程等操作。列如改變調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、分辨率、幀率等。

圖3 I2C總線時(shí)序圖

如圖3是總線讀寫時(shí)序圖。本系統(tǒng)FPGA作為主機(jī)向MT9M011發(fā)送地址，再發(fā)送對(duì)采集器內(nèi)部寄存器地址設(shè)置，最后發(fā)送配置數(shù)據(jù)。當(dāng)SCK高電平，SDA有高變低時(shí)，視為其實(shí)信號(hào)，觸發(fā)工作機(jī)制。當(dāng)SCK高電平，SDA有低變高時(shí)停止工作。在此期間，SDA發(fā)送大量的信息到采集器。

2.2 圖像存儲(chǔ)模塊

為了提高系統(tǒng)容量，需要外接SDRAM存儲(chǔ)器用來(lái)輔助。由于外接圖像顯示模塊對(duì)圖像幀的需求速率難免和外接圖像采集設(shè)備傳輸圖像速率不一致，導(dǎo)致存儲(chǔ)讀取矛盾。為使系統(tǒng)正常工作，存儲(chǔ)器模塊需要采取適當(dāng)?shù)牟呗裕浩古也呗浴?/p>

如圖4，為了解決采集與顯示模塊處理速率矛盾，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模塊使用兩片SRAM構(gòu)成，兩片RAM在高層控制管理下，輪流執(zhí)行相應(yīng)的工作，即乒乓操作。

圖4 存儲(chǔ)模塊乒乓操作原理

當(dāng)管理層將采集的圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM-A時(shí)，SRAM-B處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)高層控制器命令視頻顯示模塊只能夠從B處讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；相反的，SRAM-B進(jìn)行更新時(shí)，SRAM-A處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)高層控制器命令視頻顯示模塊只能夠從A處讀取數(shù)據(jù)；使用乒乓原理，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖像采集和實(shí)時(shí)顯示的連續(xù)性，解決了潛在的模塊間的不兼容問(wèn)題。

2.3 圖像顯示模塊

系統(tǒng)從SDRAM里讀出的數(shù)據(jù)信息，需要經(jīng)過(guò)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)使用ADV7123 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，由VGA 顯示終端顯示出來(lái)。在VGA模式中，VGA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)是由HS和VS信號(hào)來(lái)指定行起始點(diǎn)和幀起始點(diǎn)。

圖5是利用ADC7123完成數(shù)模轉(zhuǎn)換原理圖。IOR、IOG、IOB分別為紅、綠、藍(lán)色接口的輸出端。CLK是時(shí)鐘信號(hào)，SYNC是FPGA提供的同步信號(hào)。由圖可以看出，HS和VS直接由FPGA控制器提供給VGA接口。使用HS和VS的組合，可以為地址產(chǎn)生提供依據(jù)，因?yàn)槠渚哂行辛杏?jì)數(shù)器功能。地址產(chǎn)生和RAM控制程序依據(jù)VGA時(shí)序，例如對(duì)行列極速器檢測(cè)，將關(guān)于數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)發(fā)至數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，依據(jù)VGA的時(shí)序。最后將模擬信號(hào)送至VGA接口和顯示終端。

圖5 圖像AD轉(zhuǎn)換及VGA顯示接口

圖6是信息同步時(shí)序圖。如圖，當(dāng)VS高電平時(shí)，場(chǎng)信息和行信息有效。同步信號(hào)可以在FPGA里面構(gòu)建。使用800像素脈沖計(jì)數(shù)器。PCLK在計(jì)數(shù)器8-103之間輸出低電平，其它為高，那么為行同步信號(hào)HS。以HS行為單位計(jì)數(shù)到4時(shí)輸出低電平，計(jì)數(shù)器清零，作為VS同步信號(hào)。

圖6 行場(chǎng)同步時(shí)序圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于LBP圖像識(shí)別算法

圖像識(shí)別技術(shù)在生活中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為生活、安全提供了極大方便。使用擴(kuò)展LBP技術(shù)，可以對(duì)物體的特征進(jìn)行紋理提取。

擴(kuò)展LBP的算子可以由(P,R)表示，P代表和中心像素相鄰像素點(diǎn)的數(shù)量，R表示以中心像素點(diǎn)為中心相鄰點(diǎn)到中心的距離。圖7可以很容易看出原理。

圖7 不同參數(shù)像素分布示意圖

為了方便對(duì)LBP算子描述，使用函數(shù)E表示中心像素點(diǎn)和相鄰點(diǎn)的分布：

E=e(gr,g0,g1…gk-1)

(1)

式中，gr代表某個(gè)中心像素點(diǎn)的灰度值，gk表示與中心點(diǎn)相鄰的像素點(diǎn)。每個(gè)中心點(diǎn)和相鄰點(diǎn)組成半徑和數(shù)量可以不同。一個(gè)中心點(diǎn)周圍其他點(diǎn)gk的坐標(biāo)為(xk,yk) 可以如下表示：

(2)

假設(shè)每個(gè)點(diǎn)是相互獨(dú)立的，有：

E=e(gr,g0-gr,g1-gr…gk-1-gr)

(3)

中心像素點(diǎn)的相互獨(dú)立雖然會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，但對(duì)結(jié)果影響不大。

由于主要是為了獲得二值特征，只需要知道差值結(jié)果符號(hào)，這樣的結(jié)果不受曝光強(qiáng)度影響：

E=e(s(g0-gr),s(g1-gr)…s(gk-1-gr))

(4)

式子中，

(5)

計(jì)算獲取的二值，s需要權(quán)重值，再進(jìn)行求和運(yùn)算，可獲得此像素點(diǎn)局部紋理特征值，表達(dá)式：

(6)

算法步驟總計(jì)以下幾步：

1.將檢測(cè)圖像劃分多個(gè)分塊；

2. 對(duì)于每塊中的一個(gè)像素，將相鄰的多個(gè)像素的灰度值與其進(jìn)行比較，若周圍像素值大于中心像素值，則該像素點(diǎn)的位置被標(biāo)記為1，否則為0，即得到該窗口中心像素點(diǎn)的LBP值；

3.計(jì)算每塊的直方圖；

4.統(tǒng)計(jì)每塊的直方圖并整合為特征向量。

3.2 算法檢測(cè)

為了驗(yàn)證該算法，本文對(duì)兩幅大小不同的圖片使用了LBP算法進(jìn)行了作處理，進(jìn)行算法驗(yàn)證。一般情況下，算法對(duì)圖像的處理首先是將圖片分割成塊，然后對(duì)每塊圖像矩陣信息進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)每塊的統(tǒng)計(jì)信息左整合處理，得到原圖的特征數(shù)據(jù)圖。對(duì)圖像的分割顯得尤為重要，分割的數(shù)量要根據(jù)實(shí)際情況確定。數(shù)量過(guò)多，那么算法對(duì)圖形的描述更精細(xì)，是LBP算法維度過(guò)高；若數(shù)量太少，獲取的信息又較為粗糙，失去細(xì)節(jié)信息，對(duì)原圖的數(shù)據(jù)估計(jì)和掌握姜出現(xiàn)不足。所以，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，對(duì)參數(shù)P取值8較為合適。

圖8是對(duì)花瓣進(jìn)行LBP算法處理后的獲取的圖片特征信息。左圖是原圖，右圖是仿真獲取的LBP特征圖譜?？梢杂^察發(fā)現(xiàn)，特征圖是對(duì)原圖紋理信息的提取。圖像輪廓較為清晰，算法處理得到較好數(shù)據(jù)。

圖8 200*200圖像LBP預(yù)處理

圖9是對(duì)小圖進(jìn)行LBP算法處理后的獲取的圖片特征信息。雖然右圖仿真獲取的LBP特征圖譜相比圖8顆粒較為粗，但獲取的輪廓信息依然較為清晰，算法處理得到較好數(shù)據(jù)。

圖9 100*100圖像LBP預(yù)處理

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)視頻數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自UCSD，用于系統(tǒng)圖像采集模塊對(duì)圖像的采集。FPGA控制系統(tǒng)可以調(diào)用顯示模塊顯示獲取的圖像。在圖像的檢測(cè)階段，將截取的圖像使用LBP算法對(duì)其進(jìn)行紋理輪廓的提取獲得LBP圖譜。該方法對(duì)特征信息提取能力很突出，且有一定的穩(wěn)定性。對(duì)提取的圖像建立圖像集，利用圖像集建模為后期圖像比對(duì)識(shí)別提供建模資源。

本實(shí)驗(yàn)使用共100個(gè)視頻資源，包含了不同場(chǎng)景、光照、行為等。隨機(jī)使用20個(gè)視屏作為系統(tǒng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，將剩下的作為實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)測(cè)試。為了有個(gè)說(shuō)服力較高的結(jié)果，對(duì)部分圖像隨機(jī)加了干擾噪聲等。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本節(jié)展示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖10是系統(tǒng)對(duì)花瓣經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后顯示和經(jīng)過(guò)算法處理后的效果圖。(a)圖是給系統(tǒng)圖形采集模塊需要采集的原圖像，(b)圖是系統(tǒng)將采集后的圖像經(jīng)過(guò)顯示模塊顯示，觀察發(fā)現(xiàn)，圖像出現(xiàn)一定程度的斑點(diǎn)和毛刺，但不影響視覺(jué)信息的獲取。(c)圖是進(jìn)行LBP算法處理后的圖譜，獲取原圖像的紋理信息。圖10結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)圖像采集分析能力達(dá)到基本要求，實(shí)驗(yàn)具有較好的效果，圖片清晰，特征圖譜紋理清晰。

圖10 花瓣實(shí)驗(yàn)圖像效果

圖11是對(duì)圖片的檢測(cè)成功概率。隨著圖片數(shù)量的增加，檢測(cè)識(shí)別率提高，因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)輸入的增加，所可以使用的資源越來(lái)越多，識(shí)別率慢慢穩(wěn)定。由圖中可以得出，在大型的圖像識(shí)別系統(tǒng)中，需要大量圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)來(lái)比對(duì)識(shí)別。特別是完成較復(fù)雜的圖像建模工作，需要大量的基礎(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。圖11的結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)圖片的處理計(jì)算能力任務(wù)較好的完成，識(shí)別成功率高，利于后續(xù)工作展開(kāi)。

圖11 測(cè)試結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)中，可以得出一個(gè)結(jié)論：

1)該系統(tǒng)可以完成實(shí)時(shí)圖像采集；顯示輸出圖片完成有序，沒(méi)有明顯信息丟失和亂碼，系統(tǒng)具有基本工作能力；

2)系統(tǒng)使用的算法在圖片集數(shù)量大的情況下，正確識(shí)別率增大，所以在系統(tǒng)正式開(kāi)始之前，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練或者增加圖片集數(shù)量，待穩(wěn)定后再投入工作；

3)使用的圖片集越多，計(jì)算消耗時(shí)間有所增加。

5 結(jié)論

本文首先從硬件角度分析了各個(gè)功能模塊的主要器件和工作方式，了解各個(gè)模塊的特點(diǎn)。然后介紹系統(tǒng)圖像處理算法，算法是檢測(cè)識(shí)別的核心。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論：基于FPGA作為控制系統(tǒng)的核心控制芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像采集與分析系統(tǒng)，能夠高效穩(wěn)定安全運(yùn)行，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析，本系統(tǒng)達(dá)到了到了目標(biāo)要求。

本方案的不足依然存在一些不足：

1)算法有待完善，當(dāng)數(shù)據(jù)量增大后，系統(tǒng)消耗時(shí)間有所在增加，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有潛在的挑戰(zhàn)；為了克服此問(wèn)題，需要尋找更為合理高效的圖像處理算法；

2)系統(tǒng)顯示模塊的輸出圖像質(zhì)量與目標(biāo)圖像存在一點(diǎn)點(diǎn)差距，可以進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)信息的采集方式，同時(shí)加入去噪的補(bǔ)償電路或者算法，提高圖像的輸出質(zhì)量。

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FPGA-Based Design and Analysis of Real Time Image Acquisition and Analysis System

Lin Qing, Huang Yulei, Jiao Chun

(ZTE Telecommunication College, Xian Peihua University, Xi’an 710125,China)

Nowadays, the development of communication technology has promoted the application of video technology, and the video image analysis technology has been paid more and more attention. In recent years, the stable and reliable FPGA, short development cycle and other characteristics and the mature application of the technology provides a new direction for image acquisition and analysis. Therefore, this paper studies the application of FPGA to real-time image acquisition and analysis system. Based on the introduction of hardware and software, the hardware analysis mainly explains the hardware selection and working principle of each functional module. Finally, the experimental results show that the system can complete the function of reading, storing, detecting and displaying the image information. The conclusion is drawn that the system based on FPGA chip technology can complete the function of real-time image acquisition and analysis.

image processing; collection; real time

2017-01-05；

2017-02-06。

陜西省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15BY122)；西安培華學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(PHZ1606)。

林 青(1979-)，女，陜西西安人，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)方向的研究。

焦 純(1973-)，男，湖北武漢人，工學(xué)博士，副教授，系主任，主要從事計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)及科研工作方向的研究。

1671-4598(2017)07-0218-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.054

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