FPGA芯片EPXA10在圖像處理中的應用

3.1 圖像的驅動(dòng)
3.1.1 CMOS圖像傳感器的驅動(dòng)
　　要使CMOS圖像傳感器成像，必須設計正確的驅動(dòng)時(shí)序，包括行同步、列同步、場(chǎng)同步及曝光時(shí)間設定等時(shí)序。利用FPGA邏輯編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編程，可在FPGA中實(shí)現CMOS圖像傳感器的驅動(dòng)時(shí)序，該驅動(dòng)時(shí)序的仿真結果如圖3所示。圖中，ld_y為行選通信號；ld_x為列選通信號；cal為場(chǎng)選通信號；clk_adc為內部A/D轉換器所需的時(shí)鐘；addr為行列地址線(xiàn)；sys_reset為曝光時(shí)間設定信號；s和r為內部放大器選通信號。

3.1.2 圖像的采集
　　CMOS圖像傳感器輸出的信號為數字信號(即數字圖像數據)，所以圖像的采集要通過(guò)FPGA中的數據接收模塊將圖像數據保存到片外SDRAM中。數據接收模塊狀態(tài)機如圖4所示。標志Flag為1，開(kāi)始采集數據。因為CMOS圖像傳感器在每個(gè)A/D轉換時(shí)鐘周期輸出一個(gè)數據(如圖3所示)，接收模塊也相應地設計成一個(gè)時(shí)鐘接收周期接收一個(gè)數據(Burst狀態(tài))，這樣也就發(fā)揮了FPGA對大量數據處理速度快的優(yōu)勢。

3.1.3 圖像的顯示
　　ARM將SDRAM中的圖像數據經(jīng)串口傳給計算機，在計算機中用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)串口協(xié)議和圖像顯示程序，將CMOS圖像傳感器采集到的圖像顯示在屏幕上，以便于監測驗證。
3.2 圖像的處理
　　本系統采用的圖像處理算法基于Sobel邊緣檢測算子。圖像的邊緣是由灰度不連續性所反映的，是圖像的最基本信息。邊緣檢測算子檢查每個(gè)像素的鄰域并對灰度變化率進(jìn)行量化，也包括方向的確定，大多數使用基于方向導數掩模求卷積的方法。就sobel算子而言，如圖5所示，采用了兩個(gè)3×3卷積核形成邊緣算子模板，緊鄰中心像素的像素有4個(gè)，和中心像素成斜對角的像素也有4個(gè)，距離中心像素近的模板值的系數為2，成斜對角的比較遠，所以其系數為1，該系數反映了這樣一點(diǎn)：鄰域對當前像素的灰度梯度的影響程度越近影響越大，越遠影響越小。圖像中的每個(gè)點(diǎn)都用這兩個(gè)核做卷積，一個(gè)核對垂直邊緣響應最大，而另一個(gè)核對水平邊緣響應最大，兩個(gè)卷積的最大值作為該點(diǎn)的輸出位，反映了當前位置灰度梯度(圖像邊緣)的主要方向和大小。運算結果反映了一幅邊緣幅度圖像。