CN102129696A - 基于fpga的圆弧边缘图像的参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，即利用FPGA实现圆形目标的视觉参数测量。该方法针对已经提取好的圆弧物体的边缘图像，精确提取图像边缘有效像素点坐标，利用FPGA内嵌硬件乘加器、内部存储器及逻辑单元等硬件资源，实现圆弧参数（圆心、直径）的实时计算。本方法在视频行同步的作用下，利用三个像素点坐标定圆的方法，实现每个行同步下若取得三个有效像素点即计算得到一组圆弧参数。进而，该方法针对按行计算得到圆弧参数，利用直方图统计的方法对其进行累加统计，最后在场同步信号的作用下，提取最优的圆弧参数结果，很好地保证了圆弧参数的准确性。同时由于FPGA的可编程性，可以根据具体需求定制IP核，可方便地对计算方法进行升级和扩展，用最小的投入实现更多的功能。与现有PC处理系统相比，该计算方法具有很好的稳定性和实时性。

Description

基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，更具体地说，涉及一种利用FPGA实现对物体圆弧边缘图像的参数（圆心、直径等）的计算。属于电子信息领域。

背景技术

近年来计算机视觉技术迅猛发展，相应的，机器视觉技术应用也越来越广泛。相对计算机视觉，机器视觉更偏重于工业应用。而在工业应用中，机器视觉往往作为辅助工业控制的部分被应用，如PCB电路检验等。随着工业控制精度的要求越来越高，要求机器视觉技术从定性分析逐步向定量分析转变。在机器视觉做定量分析中，主要利用视频图像的边缘像素进行计算，获得目标物体的参数，从而精确辅助后级工业控制。在视觉处理的目标物体中，圆形物体是最为常见的处理形状之一。在圆形物体的边缘处理中，相对复杂的是圆形物体的边缘图像只是一段圆弧边缘，不能得到完整的圆形边缘，这对计算的复杂度与计算结果的精度都提出了较高的要求。

随着嵌入式技术的发展，工业控制上嵌入式系统逐步得到推广。在众多的嵌入式系统中，基于FPGA的处理系统在视频处理上有着众多独到的优势，特别是在实时性方面，基于FPGA的嵌入式系统能够很好地满足应用要求。基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法即利用FPGA实现圆形目标物的视觉参数测量。

通过查阅相关的文献，目前视觉处理技术在PC机上实现的多，嵌入式的视觉测量技术并不常见，特别是基于FPGA硬件逻辑实现的嵌入式视觉测量技术，相对于传统PC系统，有着诸多优势。基于FPGA的嵌入式视觉测量系统稳定性好，实时性强，系统成本低。且利用FPGA的可编程性，可将系统封装为IP核，方便根据实际需要进行配置应用，且系统安装、升级等方便、灵活。

发明内容

本发明针对工业控制中视频辅助测量技术的圆弧参数计算的应用需要，提供了一套基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算的计算方法，即利用FPGA实现圆形目标物的视觉参数测量。本方法利用FPGA的内部逻辑单元等硬件资源对圆形物体边缘的图像分析，实时计算物体的参数值。由于现实种种客观条件限制，圆形目标物体的图像往往得不到整个圆形，而仅有一段圆弧，为此，该计算方法针对一段圆弧设计，对任何一段圆弧，均可实时计算出其对应的圆心坐标及直径值。另一方面，该计算方法针对圆弧的边缘图像进行计算，即针对已经对图像预先进行过边缘提取，图像中仅存在目标物体的边缘的图像进行计算，而如何提取圆形目标物体的边缘不为该计算方法处理范围。

本发明通过如下技术方案实现。

一种基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，即利用FPGA实现圆形目标物的视觉参数测量。其特征是：针对圆弧边缘图像计算圆弧的圆心坐标与直径值等参数，该计算方法由有效像素点坐标提取操作、三点坐标计算圆参数操作、参数在存储器上按帧累计操作及视频信号的行、场、像素时钟控制操作等组成；其操作步骤为：

①    有效像素点坐标提取操作：在每个行同步下从圆弧边缘图像中提取出三个有效边缘像素点；

②    三点坐标计算圆参数操作：利用提取出的三个像素点坐标值计算出对应的圆参数；

③    根据三点计算得到的参数在行同步的作用下被送往RAM存储器进行统计，即参数在存储器上按帧累计操作；

④    在每帧图像计算结束后，FPGA从每个RAM中得到累加最多的参数值，即得到该帧图像的圆弧最优参数值。

上述步骤①有效像素点坐标提取操作是：利用5个FIFO缓存串行输入的圆弧边缘像素流，5个FIFO串行连接，FIFO1、FIFO3、FIFO5上隔行向外引出数据流，得到三路并行输出的数据流，在三路数据上同步检测输出像素点是否为边缘像素点，三鹿并行操作得到三个有效的边缘像素点的坐标值。

上述步骤②中的三点坐标计算圆参数操作是：利用FPGA内部集成的乘加器、乘法器等众多宏模块及逻辑单元等纯硬件实现三点定圆的算术运算；三点算圆模块在行同步信号下控制硬件实现算术运算，保证运算的时序要求；提取的边缘像素点按行时钟送入，三点算圆模块实时计算得到一组对应的圆心坐标与直径值参数，同时按行输入下级操作进行累加计数。

上述步骤③中的参数在存储器上按帧累积操作是：采用三组RAM—RAM_x，RAM_y、RAM_r，对圆弧的圆心横、纵坐标与直径值分别进行统计；每计算得到一组参数值，参数对应RAM中进行统计一次，每帧图像计算结束后，从RAM中选取出统计量最大的参数值，则该值为最优的参数值。

上述步骤③中的参数在存储器上按帧累积操作中对RAM的操作为：每次计算得到的x，y，r进行参数调整，使其保持在对应RAM的地址范围内，则可以将参数值与RAM的地址等同起来，每计算得到一个参数，则在对应参数的RAM中等于调整后的参数值的地址所指向的存储空间的值加1，对于每个计算得到的参数均进行如此操作，则在一帧图像结束后，各参数RAM中统计了所有计算得到的参数值的个数，则从中选出统计数最大的值所对应的地址即为最优的调整后的参数值，称为最优地址，将最优地址加上如入RAM前减去的常数，即得到圆弧图像的最优参数计算结果。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明采用基于FPGA的视觉计算系统，成本低，体积小，运算快，可方便运用于工业辅助控制。

2、本发明采用纯硬件逻辑实现，利用FPGA的并行处理，很好地实现了圆弧参数计算的复杂算术运算，在实时性上能保证工业控制的时间要求。

3、本发明采用直方图统计的方法，选取最优的计算参数结果，保证了圆弧参数计算的准确性。

4、本发明采用硬件逻辑实现，可方便定制为IP核，供用户参数化调用，且系统升级与维护方便。

5、本发明采用针对圆弧边缘图像设计，对任何圆形物体图像，本方法对提取的边缘图像要求不需整个圆形边缘，只需其中一段圆弧即可方便计算出圆形物体的参数，可在众多实际工业控制环境中应用。

附图说明

图1本发明的程序操作流程图；

图2提取有效边缘像素点操作示意图；

图3三点坐标计算圆参数操作流图；

图4参数在存储器上按帧累计操作示意图；

图5 RAM操作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细描述。

实施例一：参见图1，本基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，即利用FPGA实现圆形目标物的视觉参数测量，由有效像素点坐标提取操作、三点坐标计算圆参数操作、参数在存储器上按帧累积操作及视频信号的行、场、像素时钟控制操作等组成。其操作步骤为：

①    圆弧边缘图像的像素流首先进行有效像素点坐标提取操作；

②    在视频同步信号的控制下，像素点提取模块在行同步信号作用下完成三个有效像素点的坐标提取；

③    三组坐标值在像素时钟控制下同步送往三点坐标计算圆参数操作部分，该部分利用FPGA内部硬件运算器、内部FIFO以及逻辑资源计算出三点确定的圆坐标、直径等参数值；

④    三点坐标计算圆参数操作在行同步作用下计算出的参数值在下一个行同步信号下被送往下级参数在存储器上按帧累积操作部分进行直方图统计，基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法共设置了三个内置RAM存储器分别完成圆心横、纵坐标以及圆直径值的直方图累计统计；

⑤    最后在场同步作用下，对RAM中的各计算结果累计数分别进行比较，从中选出累计最多的计算结果，从而得到最优的圆弧参数结果，将最优圆心坐标与直径值输出用以拟合圆，用拟合出的圆与圆弧进行匹配，观察吻合度，可直观判断出计算方法计算结果的准确性。

实施例二：

本实施案例与实施案例一基本相同，特别之处在于：上述步骤①有效像素点坐标提取操作是：利用FPGA多个内部FIFO将串行输入的圆弧图像像素流转换为五行并行输出的数据流，从而方便利用FPGA的并行处理特性实现视频处理。并行的五路数据流在像素时钟下，从三个间隔的FIFO口并行输出三路视频，计算方法对三路视频逐个像素点判断是否为有效边缘像素点，若是，寄存器将其所在图像中的坐标值保存下来。若在行同步信号跳变后，从三路数据流提取出了三个有效像素点，则此三个有效边缘像素点对应的三组坐标值被送往后续三点坐标计算圆参数操作计算由此三点确定的圆心坐标与圆直径等参数。若在行同步信号跳变后，未检测到三个有效像素点（一个或两个或没有），则丢弃检测到的像素点，进一步检测下一行同步信号作用下的三路数据流。

上述步骤②三点坐标计算圆参数操作是：利用经典的数学上三点确定圆计算公式，在FPGA上采用硬件逻辑的方法实现根据三点坐标值计算其对应圆的圆心坐标与直径值。方法利用FPGA内部集成的硬件乘加器、乘法器、加法器及移位寄存器等硬件资源实现三点定圆的参数计算。由于采用FPGA内部硬件资源及其并行处理操作，三点坐标计算圆参数操作在视频像素时钟与行同步信号控制下，很好地保证了时序上的严格要求，使整个系统在实时性上得到保证。三点坐标计算圆参数操作计算出的圆心坐标、直径等参数值在行同步作用下继而被送往下级参数在存储器上按帧累积操作部分进行直方图统计。

上述步骤③中的参数在存储器上按帧累积操作是利用FPGA内部RAM实现整幅图像的参数值直方图统计。该部分对每行计算出的圆心坐标、直径值等参数分别在对应RAM中累加，当整幅图像计算完后，模块在场同步作用下，从各RAM中取出累加最多的参数值，则该值为计算出的最优的参数值。根据已知圆心坐标、直径值等参数确定圆方程，可在视频上叠加上根据计算出的参数值确定的圆，从而比较圆弧与根据计算参数画出的圆的吻合度，从而判断参数计算的准确性。

实施例三：如图1所示，本基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法的操作步骤为：

①    接收各种圆弧边缘图像的像素流；

②    在有效边缘像素点坐标提取模块中，串行输入的像素流通过FIFIO缓存转换为并行的五行数据流，从而可以并行提取出三个有效的圆弧边缘像素点；

③    提取出的三组坐标值在由FPGA内置的乘加器、加法器等硬件单元设计的三点坐标计算圆参数操作中计算出一组圆心坐标与直径等参数值；在行同步的控制下，每组参数值均被送往直方图统计模块中对应的RAM中进行累加；

④    在一帧图像计算结束后，参数在存储器上按帧累积操作部分在视频场同步信号的控制下，从RAM中读取统计值并比较，从中提取出最大累加值所对应的参数值，得到最优的圆弧参数计算值；计算得到的最优参数值可在视频图像上画圆，并将该圆叠加到圆弧图像上，通过比较圆弧与根据计算出的参数模拟的圆比较，观察其吻合性，可直观地考察计算结果的准确性。计算方法在实现圆弧参数计算的过程中充分利用了FPGA内部集成的宏单元以及内部存储器单元等实现图像信号的串并转换、算术运算、计算结果优化等，而这些操作均是在视频的行、场及像素等时钟同步信号的严格协调下实现的，时序控制严格。

如图2所示，上述有效像素点坐标提取操作主要利用FPGA内部多个FIFO对图像数据流进行缓存实现。FPGA中可并行处理数据，为计算圆弧的参数，必须同时在圆弧边缘上提取出三个有效的像素点坐标进行计算。利用内部FIFO很好的解决了这个问题，串行输入的像素流经过五级FIFO输出，FIFO1的输出端连接到FIFO2的输入端，FIFO2的输出端连接到 FIFO3的输入端，如此一级一级串联下来。而在FIFO1、FIFO3、FIFO5的输出端向外引出像素流，在三行上进行边缘点的提取。三路像素流并行输出，在每路像素流上对每个像素均进行判断，像素点若为边缘点，则记录下该像素点的坐标值，若不是，则丢弃。像素点的横坐标x通过在一行上有效像素点计数得到，计数与像素点输出同步进行，若行同步信号为低，则计数器归零；像素点纵坐标则在整幅图像上对行进行计数得到，场同步信号为低，计数器归零。在每个行同步信号下，从FIFO1、FIFO3、FIFO5输出的三路数据流必须提取出三个有效像素点坐标，否则丢弃提取的像素点坐标，进行下一行的提取。提取出的三个有效像素点坐标将被送往三点坐标计算圆参数操作部分进行参数计算。

如图3所示，三点坐标计算圆参数操作部分主要由FPGA内部乘加器等运算单元以及逻辑单元实现。三点定圆的原理如下：式（1）为圆方程通式，（a,b）为圆心坐标，r为圆半径。

                          （1）

（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3）为圆上三点，则可计算该圆的圆心坐标如下式（2）和式（3）。

     （2）

     （3）

则圆半径r可计算得如下式（4）

            （4）

FPGA内部集成了众多乘法器、加法器、开放运算等宏模块，本方法直接调用这些宏模块并借助逻辑单元实现上述各式的运算。模块均采用verilog语言，在串行模块中采用行时钟信号控制运算，保证运算的时序要求。对于每组三点坐标均可得到一组参数，即每个行同步信号下，若能提取出三个有效边缘像素点，即可得到一组测量参数。同时计算好的每组参数值均在行同步信号控制下，被送往后续参数在存储器上按帧累积操作进行直方图统计。

如图4所示，参数在存储器上按帧累积操作的直方图统计部分一种基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法的核心部分，它保证了参数计算的精确性。由三点算圆模块在行同步信号协同下计算得到的每组圆心坐标与直径值参数，同样在行同步控制下被送往三组RAM（RAM_x用于存放圆心x坐标，RAM_y用于存放圆心y坐标，RAM_R用于存放圆直径值）进行统计计数。

如图5所示，以RAM_x为例，RAM_x的地址设置为0-255，计算得到的参数x在送往RAM_x之前先进行参数调整。参数调整主要是根据实际参数x的值减去一常量，使所有的x变为0-255范围之内，则每个x值即可对应到RAM_x的每个地址值，而RAM_x地址所指向的内存空间上存储的的值即为该地址对应的x进行个数，初始状态下，各地址上的值均清零。统计计数的方式如下：如计算得到的x值经过减去一常量Const后为150，则RAM_x中地址为150的存储区上的值加1，若下一个x值经过减去一常量Const后仍150，则150地址上的值再加1，若下一个为200，则RAM_x中地址为200的存储区上的值加1，每个计算得到的x均进行如是操作，每行判断一次是否有计算的参数输入，整幅图像计算完后，RAM_x中记录下了所有计算得到的每个x值的个数。则在一帧视频结束后，在场同步信号控制下，从RAM_x中读取出每个x累加的值，并进行比较，得到一个最大值，则其对应的RAM_x中所在的地址即为最优的x值，将地址读取，经过参数调整，加上写入RAM_x前减去的Const，得到计算出的最优x。基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法采用了三组RAM分别对x，y，r进行统计，y与r的操作与x相同。则在每帧视频计算结束后，从各自RAM中即可得到计算的最优的参数值。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，即利用FPGA实现圆形目标物的视觉参数测量，其特征是：针对圆弧边缘图像计算圆弧的圆心坐标与直径值等参数，该计算方法由有效像素点坐标提取操作、三点坐标计算圆参数操作、参数在存储器上按帧累积操作及视频信号的行、场、像素时钟控制操作等组成；其操作步骤为：

A.有效像素点坐标提取操作：在每个行同步下从圆弧边缘图像中提取出三个有效边缘像素点；

B.三点坐标计算圆参数操作：利用提取出的三个像素点坐标值计算出对应的圆参数；

根据三点计算得到的参数在行同步的作用下被送往RAM存储器进行统计，即参数在存储器上按帧累积操作；

C在每帧图像计算结束后，FPGA从每个RAM中得到累加最多的参数值，得到该帧图像的圆弧最优参数值。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，其特征在于所述步骤A中的有效像素点坐标提取操作是：利用5个FIFO缓存串行输入的圆弧边缘像素流，5个FIFO串行连接，在FIFO1、FIFO3、FIFO5上隔行向外引出数据流，得到三路并行输出的数据流，在三路数据上同步检测输出像素点是否为边缘像素点，三路并行操作得到三个有效的边缘像素点的坐标值。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，其特征在于所述步骤B中的三点坐标计算圆参数操作是：利用FPGA内部集成的乘加器、乘法器等众多宏模块及逻辑单元等纯硬件实现三点定圆的算术运算；三点算圆模块在行同步信号下控制硬件实现算术运算，保证运算的时序要求；提取的边缘像素点按行时钟送入，三点算圆模块实时计算得到一组对应的圆心坐标与直径值参数，同时按行输入下级操作进行累加计数。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，其特征在于所述步骤C中的参数在存储器上按帧累积操作是：采用三组RAM—RAM_x，RAM_y，RAM_r，对圆弧的圆心横、纵坐标与直径值分别进行统计；每计算得到一组参数值，参数对应RAM中进行统计一次，每帧图像计算结束后，从RAM中选取出统计量最大的参数值，则该值为最优的参数值。

5.根据权利要求1或4所述的基于FPGA的圆弧边缘图像的参数计算方法，其特征在于所述步骤C中的参数在存储器上按帧累积操作中对RAM的操作为：对每次计算得到的x，y，r进行参数调整，使其保持在对应RAM的地址范围内，则可以将参数值与RAM的地址等同起来，每计算得到一个参数，则在对应参数的RAM中等于调整后的参数值的地址所指向的存储空间的值加1，对于每个计算得到的参数均进行如此操作，则在一帧图像结束后，各参数RAM中统计了所有计算得到的参数值的个数，则从中选出统计数最大的值所对应的地址即为最优的调整后的参数值，称为最优地址，将最优地址加上读入RAM前减去的常数，即得到圆弧图像的最优参数计算结果。

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