基于FPGA的铁轨检测算法设计与研究

2011-09-27 16:09:31来源: 微型机与应用
   

摘  要: 介绍一种基于FPGA的铁轨检测方法,包括嵌入式图像处理系统的硬件平台搭建和基于FPGA的图像处理算法的研究。采用基于FPGA的软核技术,完成图像增强和复原、边缘检测、阈值分割、连通域搜索等图像处理基本算法,实现在图像中完成铁轨区域的提取。
关键词: FPGA;嵌入式系统; 图像处理;铁轨检测

1 基于FPGA的嵌入式系统开发流程
 设计一个嵌入式系统,主要包括硬件平台搭建和应用软件编写。基于FPGA技术,硬件平台搭建和软件编写都可在相应的软件平台上完成。EDK(Embedded Development Kit)是Xilinx公司开发嵌入式系统的套件工具。EDK套件工具主要包括硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器和软件编译调试等工具,利用其集成开发环境XPS(platform studio)可以方便地完成嵌入式系统的开发设计[1],设计流程如图1所示。

2 硬件平台搭建过程
 分析系统需求中,铁轨检测主要是进行图像的分析处理,包括三个主要部分:图像输入、图像处理和结果显示。本项目使用依元素公司生产的Xilinx Spartan-3a系列xc3s700a的FPGA开发板,软件版本为Xilinx10.1。图像输入有下列途径:USB接口、RS232串口、100 M以太网接口、EDK套件XMD调试平台直接下载等。本文将图像数据转换为.ELF文件格式,直接烧写入Flash中。本文不追求实现视频流处理,并且图像要多次使用,源图像存储在Flash中最合理。图像处理由Microblaze软核系统和检测程序共同完成;图像显示由TFT控制器通过VGA输出信号在液晶显示屏显示。具体硬件平台搭建过程如下:
 (1)按照XPS应用向导,建立最小系统,配置Microblaze软核系统参数和添加UART外设。
 (2)添加IP核,并连接到相应总线,主要为内存控制器、通信控制和GPIO等。
 (3)添加自定义的IP。尽管Xilinx提供了许多免费IP,但是免费的IP不能满足用户的所有设计。本项目需要自定义的IP有用于控制液晶显示的TFT_Controller和用于内存地址总线及数据总线复用的Mux_logic IP。PLB_TFT_Controller主要产生RGB信号、行场扫描、同步信号等,Mux_logic IP用于对SDRAM和Flash总线复用进行控制,输入为SDRAM和Flash的控制IP产生的地址总线信号和数据总线信号及使能信号,输出为复用地址总线、数据总线信号。
 (4)配置相应IP,并进行信号互联,将需要控制硬件的port连接到外部。分配地址空间,添加UCF配置文件。
 (5)生成硬件比特流文件和硬件驱动文件。硬件结构原理图如图2所示。

3 软件设计过程
3.1 铁轨检测原理

 


 本项目中铁轨检测主要考虑两种方案[2]:基于边缘特征和基于区域特征。(1)基于边缘特征检测方法先在全局范围检测出边缘线,再通过模型或特征限制条件,从边缘图中获得目标边缘。(2)基于区域特征的铁轨检测,利用区域统计特性,即铁轨区域区别于周围环境独特统计特性来判断铁轨区域。两种方法中,前者检测到的铁轨线较为准确,但是其对二值化阈值严重依赖;后者抗噪性较好,但检测的铁轨线不够准确,本文主要讨论基于区域特征的铁轨检测。
 基于区域特征铁轨检测流程如图3所示,分为四个步骤:

 (1)降低分辨率。在滤波之前,先降低图像分辨率,以消除图像细节,也可减轻后续处理的计算负担。
 (2)滤波处理。分辨率降低后,图像中仍有很多的突兀点,这是因为铁轨上各种电磁信号的存在,摄像头采集到的图像不可避免地受到高斯噪声、系统噪声的污染。考虑到图像特征,选用中值滤波,它在平滑脉冲噪声方面非常有效,同时可以保护图像尖锐的边缘。
 (3)边缘提取。利用边缘检测算子检查每个像素的邻域并对灰度变化率进行量化,包括方向的确定。Sobel边缘检测算子方向性灵活,可以设置不同的系数,抑制噪声效果较好,使用范围广泛,因此选用Sobel算子。同时铁轨图像横向变化不大,而在纵向有很大的延伸,故也只考虑图像垂直边缘响应。
 (4)连通域搜索。二值化处理后边缘图包含了铁轨信息,也含有很多非铁轨边缘。使用八连通区域搜索法,进行标号处理,记录相互独立的连通区域个数并进行标号。对连通区域按照长度大小进行排列,直到搜索出纵向最长的两根铁轨,然后判断并标记左右两铁轨,之后进行区域填充,最终可以看到标记的铁轨区域。

[1] [2]

关键字:图像处理  铁轨检测

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0927/article_2579.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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