基于FPGA的Sobel边缘检测算法实现及VGA显示

2019-09-10孙敬成王正彦张斌李增刚毛菲菲

青岛大学学报（工程技术版） 2019年2期

孙敬成王正彦张斌李增刚毛菲菲

摘要：针对已有的边缘检测算法存在的问题，本文采用Verilog语言对Sobel边缘检测算法进行研究。给出Sobel算法的現场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）实现方案，分析了视频图形阵列（video graphics array，VGA）显示图像的工作机理，构造了完整的电路模型，并在Altera的Cyclone II系列FPGA芯片上进行仿真及硬件调试，同时以实际算例进行仿真分析。仿真结果表明，基于FPGA的Sobel算法实现与VGA显示技术相结合，不仅实现了在VGA上快速显示图像边缘检测结果，而且与串行相比，检测速度提高了9倍，保证检测结果的准确性。该研究为应用于嵌入式设计的图像边缘检测提供了方法和策略，具有实际应用价值。

关键词： Sobel算法; 边缘检测; FPGA; VGA显示

中图分类号： TP274+.5; TN911.73 文献标识码： A

随着机器视觉领域的广泛应用，边缘检测作为应用基础，在处理过程中迎来更高的标准。边缘是指像素灰度急剧变化的点的集合，是图像最基本的特征。边缘检测的目的是标识数字图像中灰度变化明显的点，在计算机视觉和图形分析等应用中起着重要作用。边缘检测的常见算法有梯度算子、Roberts、Laplacian、Kirsch、Sobel和Prewitt等算子[1]。目前，对这些常见算法的研究技术较为成熟，应用领域也不断扩大，在公安军事方面，如公安业务图片的判读分析、指纹识别、人脸识别和图片复原等都是成功应用边缘检测的例子;在生物医学方面，CT技术、X光肺部图像增强和心电图分析等也都应用到图像边缘分析技术。这些应用设计均采用Sobel算子，该算子可以利用卷积函数快速提取边缘[2]。目前，该算法存在多种利用硬件描述语言实现的方式，但多数为串行输入数据，处理速度较慢，已不能很好地满足实际应用需求。基于此，本文采用Verilog语言，设计了Sobel算法的并行处理电路，并与VGA显示控制相结合[3]，实现了图像的检测和显示，通过对比验证了该模型的实用性和有效性。该研究为应用于嵌入式设计的图像边缘检测奠定了理论基础，具有一定的实际应用价值。

1 Sobel算法

Sobel算法是计算机视觉领域重要处理方法之一，主要通过获取数字图像的一阶梯度，实现边缘检测，以被处理像素为中心，对其邻域进行灰度分析[4]。Sobel算法的核心在于像素矩阵的卷积，利用自身模板算子检测水平边缘和垂直边缘，因此Sobel边缘检测通常带有方向性。

Sobel算法主要依靠两个模板算子，X算子（水平算子）和Y算子（竖直算子），利用两个算子与已知的图像像素点矩阵进行卷积运算，图像像素点与其邻域像素点的灰度值组成3×3的像素矩阵[5]。Sobel算子及3×3像素矩阵如图1所示。

2.2 并行输入方案

以上串行方案需要9个时钟周期才能检测1个像素点，速度较慢。为了提高检测速度，本研究提出并行输入方案，采用9个ROM存放图像灰度数据，每个时钟可同时并行取出计算所需的9个像素值。

以256×256图片为例，ROM结构如表1所示。令addr为16位地址，中addl为低8位，addh为高8位。设P1～P9为3×3的中心像素点及其邻域，经分析可知，由P5的地址可推算出其余8个数据的地址。例如，若P5地址addr5为{addh，addl}，那么addr2为{addh1，addl}，addr4为{addh，addl1}，依次类推出其余地址。因此只要在时钟信号作用下递增产生addr5，其余地址均可计算得到。若中心地址的邻域数目不足8个，可令缺失的像素数据P输入为零。并行处理框图如图5所示。

地址计算的Verilog代码如下。

并行输入仿真结果如图6所示，当中心地址addr5为102时，其余地址如图所示，可同时提取9个像素数据P1～P9进行处理，并行计算出GX、GY、G、edge。而且每个时钟可检测1个像素点，检测速度提高了9倍。

3 VGA图像显示控制

3.1 VGA显示标准

视频图形阵列（video graphics array，VGA）使用模拟信号的电脑显示标准，支持640×480，1 024×768等多种分辨率，是目前常用的图像标准之一[10]。VGA标准有5个标准信号，分别为行同步信号HS、场同步信号VS、红、绿、蓝颜色信号R、G、B，其中颜色信号是模拟信号[11]。

VGA显示器以逐行扫描的方式显示图像，扫描顺序从左到右，从上到下[12]。以640×480分辨率为例，时钟频率为25 MHz，从左上角开始往右扫描（称为行正程），直到扫完640个像素点，再回到最左边（称为行逆程），开始第2行的扫描，如此往复，扫完第480行即完成一帧图像的显示（称为场正程），这时又回到左上角（称为场逆程），开始扫描下一帧图像。在行、场扫描的正程显示图像，逆程不显示图像，称为消隐[13]。行、场扫描的逆程分别是在行同步、场同步信号的控制下进行，VGA扫描时序图如图7所示。其中，一个行同步周期（图7a中Tg）为800个像素时间，一个场同步周期（图7b中Tg）为525行时间[14]。

3.2 VGA显示控制原理

VGA显示控制原理框图如图8所示，通过对25 MHz时钟进行800进制计数分频得到行同步HS，对行频信号进行525进制计数分频得到场同步信号VS[15]。计数值hcnt、vcnt与屏幕位置一一对应，hcnt=0，vcnt=0对应屏幕左上角像素点[16]，可根据此计数值确定屏幕位置控制R、G、B颜色值。产生行同步信号HS、场同步信号VS的Verilog代码如下：

//行同步信号HS发生

always @ （posedge clk） begin

if （（hcnt >= 656） && （hcnt < 752）） HS =1′b0;

else HS=1′b1; end

//場同步信号VS发生

always @ （posedge clk） begin

if （（vcnt >= 490） && （vcnt < 492）） VS=1′b0;

else VS=1′b1; end

FPGA产生的R、G、B数字信号要经过数模转换再送到VGA接口。本设计采用的 ADV7123数模转换器具有30位数字量输入，R、G、B各10位[17]。如在第30行～第130行，第30列～第130列显示红色，显示结构示意图如图9所示。

主要Verilog代码如下：

always @ （hcnt，vcnt） begin

if （vcnt >= 29 && vcnt <= 129 && hcnt >= 29 && hcnt <= 129）

//划分显示区域

{r，g，b}={10′d1023，10′d0，10′d0};//显示红色

else {r，g，b}={10′d0，10′d0，10′d0}; //显示黑色 end

4 整体设计及结果分析

将Sobel处理的判决结果edge送VGA显示控制，即可在VGA屏幕上显示图像边缘[18]，整体结构如图10所示。由hcnt和vcnt产生ROM地址，读取ROM数据送Sobel算法模块，判决结果送颜色控制模块，在屏幕对应位置上显示边缘，以黑底白边为例，若edge = 0（非边缘），则显示黑色;若edge =1（边缘），则显示白色。

ROM5地址产生的Verilog代码如下：

assign addl = hcnt; //ROM5低位地址

assign addh = vcnt; //ROM5 高位地址

VGA颜色赋值的Verilog代码如下：

always @ （hcnt， vcnt） begin

if （vcnt > 0 && vcnt < 256 && hcnt > 0 && hcnt < 256） //划分显示区域

begin if （edge = = 1） {r，g，b}={10′d1023，10′d1023，10′d1023};//边缘，显示白色

else {r，g，b}={10′d0，10′d0，10′d0}; //非边缘，显示黑色

end end

以上设计采用友晶公司的FPGA开发板DE270及VGA液晶显示器进行硬件调试[19]，开发板上的FPGA，其型号为Altera公司的 Cyclone II 系列EP2C70F896C6N芯片，利用Quartus II 130软件对代码进行编译下载[20]。对256×256尺寸的两幅图片进行测试，原图及检测结果如图11所示。由图11可以看出，Sobel边缘检测算法能够正确检测图像边缘，并在VGA显示器上显示结果。

5 结束语

本文对Sobel边缘检测算法的FPGA实现进行研究，提出了图像数据的并行输入方案，相比串行输入，处理速度提高了9倍，并采用Verilog进行编码实现，给出了基于ModelSim的仿真结果。同时，研究了基于FPGA的VGA显示控制技术，采用Verilog代码，设计了显示控制电路，并将Sobel的边缘检测结果送至VGA显示电路，控制VGA显示器显示图像边缘，使处理结果更具直观性。该设计基于Intel 公司的 Cyclone II 系列FPGA芯片EP2C70F896C6N进行了验证，并在台湾友晶公司的DE270开发板上进行了硬件测试，仿真结果验证了该模型的实用性和有效性。该设计为实时、便携式图像边缘检测设备的研制提供了思路和方法。

参考文献：

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[2] 马宇飞. 基于梯度算子的图像边缘检测算法研究[D]. 西安：西安电子科技大学， 2012.

[3] 官鑫，王黎，高晓蓉，等. 图像边缘检测Sobel算法FPGA仿真与实现[J]. 现代电子技术， 2009， 32（8）： 109111.

[4] 高飞，黄启宏，程卫东，等. Sobel边缘检测算子的改进研究[J]. 数字技术与应用， 2016（1）： 143145.

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[9] 孙百洋，冷建伟，赵嘉祺. 基于FPGA的Sobel边缘检测算法研究与实现[J]. 化工自动化及仪表， 2018， 45（3）： 180183， 231.

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