FPGA实现边缘检测Sobel算法
一. Sobel算法
首先先在这里，介绍一下Sobel算法的原理，以及实现过程，由于Sobel算法并不复杂，可以说是相对简单的，就不作过多的介绍.
- 先求x，y方向的梯度dx,dy
- 然后求出近似梯度 G = d x 2 + d y 2 G = dx^{2}+dy^{2} G=dx2+dy2然后开根号，也可以为了分别计算近似为 G = ∣ d x ∣ + ∣ d y ∣ G = |dx|+|dy| G=∣dx∣+∣dy∣
- 最后根据G的值，来判断该点是不是边缘点，是的话，就将该点的像素复制为255，否则为0,，当然0或255可以自己随意指定，也可以是其他两个易于区分的像素值。
二. dx,dy的求法
-
dx方向的核值如下，核值与图像上3*3的区域对应相乘然后相加，
-
dy同dx求法一样
-
最后判断对应图像3*3区域的中心点是否为边缘点
-
当然核值的1,2是可以修改的，例如3,10
上面就简单的介绍了一下Sobel算法的原理以及实现步骤，接下来就在FPGA中实现它吧。
三. 目标图片的准备
我们先将图片写入rom中，然后将数据从rom中读出进行处理。
先借助python和opencv将图片转为灰度图，然后生成mif文件,代码如下
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import shutil
import cv2
headfile = '''
DEPTH = 10000;
WIDTH = 8;
ADDRESS_RADIX = HEX;
DATA_RADIX = HEX;
CONTENT
BEGIN
'''
img = cv2.imread("13.png") #读取图片
img = cv2.resize(img,(100,100)) #将图片resize到100*1001的大小
img = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY) #将图片转为灰度图
mif = open('image.mif', 'w')
mif.writelines(headfile)
i = 0
for m in range(0,100):
for n in range(0,100):
mif.writelines(str(hex(i)[2:]))
mif.writelines(' : ')
mif.writelines(str(hex(img[m][n]))[2:])# + str(hex(img[n][m][1]))[2:] + str(hex(img[n][m][0]))[2:])
mif.writelines(';')
mif.writelines('\n')
i += 1
mif.write('END;')
经过上面的代码，就可以生成mif文件了，然后在软件中调用单端rom的ip，并且选择mif就可以了，位宽8，深度10000。
根据我们的dx，dy的核值，可以看出，每一次操作需要三行图像数据，
以及每一行图像数据的三个连续的值。
所以我们需要两个ram来存储两行数据，另外一行为当前读取的数据，
不需要事先存储，连续的三个值可以用延时
四. 两行图像数据的存储
先事先声明一下如下数据
reg[7:0] data_line_11,data_line_12,data_line_13; #第一行数据的3个值
reg[7:0] data_line_21,data_line_22,data_line_23; #第二行数据的3个值
reg[7:0] data_line_31,data_line_32,data_line_33; #第三行数据的3个值
采用双端ram，进行存储数据，由于图像的宽度为100，所以深度为128即可。
实例出来代码如下
RAM RAM_V1(
.clock(clk_9M), //时钟
.data(ram1_data_in), //写入的数据
.rdaddress(ram1_raddr), //读出的地址
.wraddress(ram1_waddr), //写入的地址
.wren(1'b1), //读写使能
.q(ram1_data_out)); //读出的数据
RAM RAM_V2(
.clock(clk_9M),
.data(ram2_data_in),
.rdaddress(ram2_raddr),
.wraddress(ram2_waddr),
.wren(1'b1),
.q(ram2_data_out));
为了使最边缘的图像数据建立起3*3的区域，这里将图像的最框添加了0像素值，所以现在处理的图像数据大小为102 * 102了。
-
假定一二行数据以及存储进去了，现在读取的是第三行。
当第三行读取到第三个数据时，是不是可以将第二行的数据的第一个更新为 第三行读取到第一个数据，将第一行的数据的第一个更新为第二行数据的第一个 同样当第三行数据读到第四，五，六...个数据时，依次更新第一行第二行的第二， 三，四...个数据 -
假定第一行，第二行没有数据，当为显示到图像的第一行时，将第一行的数据写入0，然后按照1的方式更新第二行数据。
//图像显示的区域 cur_x >= 'd101 && cur_x <='d200 &&
// cur_y >= 'd50 && cur_y < 'd150
//第一行 写
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
ram1_waddr <= 'd0;
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd201 && cur_y >= 'd49)
ram1_waddr <= ram1_waddr + 1'b1;
else
ram1_waddr <= 'd0;
end
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
ram1_data_in <= 'd0;
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd201 && cur_y >= 'd49)
if(cur_y == 'd49)
ram1_data_in <= 'd0;
else
ram1_data_in <= data_line_21;
end
//第二行 写
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
ram2_waddr <= 'd0;
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd201 && cur_y >= 'd49)
ram2_waddr <= ram2_waddr + 1'b1;
else
ram2_waddr <= 'd0;
end
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
ram2_data_in <= 'd0;
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd201 && cur_y >= 'd49)
ram2_data_in <= data_line_31;
end
五. 三行数据的读取
这个较为简单了，直接从对应的rom和ram中读出即可
下面代码是第二行和第三行的，第一行就不拿出来了，都一模一样的。
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
begin
data_line_21 = 'd0;
data_line_22 = 'd0;
data_line_23 = 'd0;
end
//这里读取的cur_x的值对比于显示的值需要注意一下
else if(cur_x >= 'd98 && cur_x <= 'd199 && cur_y >= 'd50)
begin
data_line_21 <= data_line_22;
data_line_22 <= data_line_23;
data_line_23 <= ram2_data_out;
end
else
begin
data_line_21 <= data_line_22;
data_line_22 <= data_line_23;
data_line_23 <= 'd0;
end
end
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
begin
data_line_31 <= 'd0;
data_line_32 <= 'd0;
data_line_33 <= 'd0;
end
else if(cur_x >= 'd98 && cur_x <= 'd199 && cur_y >= 'd49 && cur_y < 149)
begin
data_line_33 <= img;
data_line_32 <= data_line_33;
data_line_31 <= data_line_32;
end
else
begin
data_line_31 <= data_line_32;
data_line_32 <= data_line_33;
data_line_33 <= 'd0;
end
end
六. 进行Sobel运算
这里需要注意一下dx和dy的值可能会有1000多，所以说其位宽不在是8了而是10.
分别计算负的和正的，然后判断大小，最近用大的减去小的。最后与阈值进行判断来赋值。 阈值的大小不是0-255了，而是0-1520（肯能不太准确），我下面的是1035.
reg[10:0] Sobel_px ,Sobel_nx;
reg[10:0] Sobel_py ,Sobel_ny;
wire[10:0] Sobel_x;
wire[10:0] Sobel_y;
wire[7:0] Sobel_data;
assign Sobel_x = (Sobel_px > Sobel_nx) ? (Sobel_px - Sobel_nx) : (Sobel_nx - Sobel_px);
assign Sobel_y = (Sobel_py > Sobel_ny) ? (Sobel_py - Sobel_ny) : (Sobel_ny - Sobel_py);
assign Sobel_data = (Sobel_x + Sobel_y > 'd1035) ? 'd0 : 'd255;
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
begin
Sobel_px <= 'd0;
Sobel_nx <= 'd0;
end
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd199 && cur_y >= 'd50)
begin
Sobel_nx <= data_line_11 + data_line_21 + data_line_21 + data_line_31;
Sobel_px <= data_line_13 + data_line_23 + data_line_23 + data_line_33;
end
else
begin
Sobel_nx <= 'd0;
Sobel_px <= 'd0;
end
end
always@(posedge clk_9M or negedge rst)
begin
if(rst == 1'b0)
begin
Sobel_py <= 'd0;
Sobel_ny <= 'd0;
end
else if(cur_x >= 'd100 && cur_x <= 'd199 && cur_y >= 'd50)
begin
Sobel_py <= data_line_11 + data_line_12 + data_line_12 + data_line_13;
Sobel_ny <= data_line_31 + data_line_32 + data_line_32+ data_line_33;
end
else
begin
Sobel_ny <= 'd0;
Sobel_py <= 'd0;
end
end
最后给出在FPGA上的原图和效果图，效果不错,完整项目下载链接
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