基于FPGA視頻圖像的Canny算法加速器的設計

摘要：由于Canny算法自身的復雜性，使得其做邊緣檢測的處理時間較長。針對這個問題，提出和實現(xiàn)了一種Canny算法的硬件加速功能。加速功能的設計是以FPGA為硬件基礎，并采用了流水線技術來對系統(tǒng)的結構改進和優(yōu)化。最后通過對有加速器和無加速器的系統(tǒng)分別做圖像處理，并對統(tǒng)計時間對比分析。結果表明經(jīng)過加速改進的系統(tǒng)相對節(jié)約了處理時間，并能實時高效地處理復雜圖像的邊緣。
關鍵詞：Canny算子；邊緣檢測；加速器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
邊緣檢測是圖像分析過程中非常基礎和重要的研究領域，邊緣提取的好壞將直接影響到后續(xù)處理的準確性和難易程度。用于邊緣檢測的方法有Roberts，Sobel，Laplace，Canny，PreWitt等眾多算法。在這些算法當中，由于具有良好的邊緣檢測能力而使得Canny算法在數(shù)字圖像處理中得到了廣泛的應用。然而由于計算量的龐大，處理的時間又比較長，往往很難滿足系統(tǒng)的要求。因為FPGA對數(shù)據(jù)的并行處理，能達到系統(tǒng)的實時性要求，且開發(fā)的周期短，采用電子設計的EDA技術使得開發(fā)、調試和驗證更為直接和簡單可行。
本文在FPGA基礎上研究Canny算法的邊緣檢測，并對它進行了加速改進，且在數(shù)據(jù)處理過程中使用了流水線設計，更深入地挖掘了FPGA在數(shù)據(jù)處理速度中的優(yōu)勢。仿真實驗證明了該方法的可行性，并且實現(xiàn)了良好的實時性。

1 Canny算子的邊緣檢測
邊緣是指在其周圍像素灰度有明顯變化的那些像素的組合，它是具有幅值和方向的矢量，在圖像中表現(xiàn)為灰度的突變。早在1986年Canny就提出了邊緣檢測應該滿足的三個最優(yōu)準則：
(1)重要的邊緣不能丟失，沒有虛假的邊緣，并且誤差檢測率是最小的。
(2)實際邊緣與檢測到的邊緣位置之間的變差最小。
(3)對單一邊緣應具有惟一的響應。
Canny算子首先使用高斯濾波器來平滑圖像，再計算圖像梯度的強度和方向，接著對梯度圖像進行非極大值抑制，最后采用雙閾值方法從候選邊緣點中檢測和連接邊緣。
1．1 Canny算子原理
Canny算子是把邊緣檢測問題轉換為函數(shù)極大值的問題加以處理。提取邊緣首先要進行高斯濾波，其目的是對原始圖像進行平滑處理，以減弱或除去圖像中的噪聲。其高斯濾波的基本思想是將一個對稱的二維高斯函數(shù)與原始的圖像做卷積運算，再沿其梯度方向做微分，這樣就形成了一個簡單且有效的方向算子。
f(x，y)為原始圖像，G(x，y)是二維高斯函數(shù)，則平滑濾波后的圖像I(x，y)為：
I(x，y)=G(x，y)*_f(x，y) (1)
定義方向n為邊緣方向的法向方向，則n可由下式得出：

式(3)說明了如何尋找局部最大值，在非極大值抑制之后，還要通過閾值化處理來尋找極大值。先設定一低閾值Th1，然后選取高閾值Th2≈2*Th1，將極大值抑制后的圖像按Th1，Th2進行兩次閾值化處理，得到圖像T1和T2。由于圖像T2是通過高閾值得到的，噪聲和偽邊緣很少，但也造成了一些真實邊緣信息的丟失；而圖像T1保留的邊緣信息相對全面，但是存在一些虛假的邊緣信息。所以以圖像T2為基礎，圖像T1為補充可以獲得相對全面的邊緣圖像。
1．2 算法的模板
本文算法中的高斯濾波器和梯度強度計算時都采用3×3的方形移動窗口，同時梯度強度計算選用Sobel算子。在對圖像進行平滑處理時，需要使用高斯模板與原圖像中的像素點值做矩陣的卷積運算。本文選取高斯模板的模板系數(shù)為0．062 5，且σ=1。模板如下所示：

式中：h為水平方向上的模板；v為垂直方向上的模板。h與圖像做卷積得到水平方向上的梯度強度Ex；v與圖像做卷積得到垂直方向上的梯度強度Ev。然后通過式(4)計算梯度強度Gr為：
Gr=|Ex|+|Ey| (4)
在FPGA中，卷積的運算是通過移位和加法來實現(xiàn)的。對于8位的圖像來說，在移位和加法的運算中，由于存在正負號的運算，像素值的大小會被調整為11位，在最后做完絕對值的加法運算后要把11位縮回8位并得到最終的像素導數(shù)值。

2 加速功能設計
本文對圖像的快速處理采用了流水線技術。所謂流水線技術是把規(guī)模較大、層次較多的組合邏輯電路分為幾個級，在每一級插入寄存器組并暫存中間數(shù)據(jù)。對于每個步驟只依賴于前面步驟的運算結果的順序處理來說，流水線技術能大大地提高系統(tǒng)的性能。在本文的算法中，可將處理過程分為以下幾個任務：圖像平滑、梯度計算、非極大值抑制和圖像邊緣判定檢測。任務與任務之間都是順序執(zhí)行的，即就是說下一任務的執(zhí)行需要上級任務的結果輸出數(shù)據(jù)，因此總的時間花銷為各個任務所需時間的總和。要使系統(tǒng)使用的處理時間最小，也就是使每個任務所花費的時間最短。