嵌入式實時Canny邊緣檢測

南開來，傅超斌

(杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州 310018)

嵌入式實時Canny邊緣檢測

南開來，傅超斌

(杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州 310018)

基于傳統Canny算子，提出CY68013+FPGA的嵌入式硬件架構下的快速實時邊緣檢測算法。主機通過CY68013 USB接口芯片高速傳輸圖像數據，FGPA從USB口采集圖像信息，并使用優化的Canny算法實現邊緣提取。該算法針對FPGA的特點進行了優化，包括用模板替代卷積、適當的近似變換、充分利用FPGA的并行特性等，在保持了Canny算子原有的定位準確、單邊響應和信噪比高等優點的基礎上，提高了邊緣提取的計算速度，減小了計算延遲，提高了實時性。

CY68013;FPGA;Canny;嵌入式;邊緣檢測

0 引言

嵌入式的圖像處理在很多領域都具有重要作用，尤其是邊緣提取，但是現有的設備普遍計算復雜，等待時間較長，不具備高速實時檢測圖像邊緣的能力，使得生產效率受到了限制。為此，提出一種全新的嵌入式硬件架構CY68013+FPGA，以及針對FPGA優化的Canny邊緣檢測算法，其可以充分利用USB2.0 高速接口接收圖像和FGPA的并行特性檢測邊緣，大大提高計算速度和實時性，同時解放主機，分擔主機的計算壓力。

1 數據傳輸部分

主機通過發送圖像數據到現場可編程邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)，FPGA對接收到的圖像進行處理。為了提高處理的實時性能，選用了通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)接口作為數據高速傳輸接口，為了簡化USB協議的設計，選用了USB協議處理芯片CY68013。

1.1CY68013(EZ-USBFX2)

CY68013 (EZ-USB FX2)[1]是Cypress半導體公司的新一代高速USB系列，可以用USB2.0最大數據傳輸速率傳輸數據。

EZ-USB FX2芯片會自動處理大部分的USB協議[2]，用戶只需操作應用層數據。芯片一共有4個端點，以及4個緩沖區用于緩存接收或者發送的數據。

自定義主機端與FPGA端的通信協議，主機端和FPGA端通信數據共分4種類型：

(1)主機端寫FPGA端的寄存器；

(2)主機端讀取FPGA端的寄存器；

(3)主機端發送圖片數據；

(4)主機端接收圖片數據。

系統的整體模型如圖1所示。配置端點2為命令發送端點，方向為OUT，對FPGA端的寄存器進行讀寫；配置端點4為圖片發送端點，方向為OUT，負責傳輸圖片數據到FPGA；配置端點6為命令返回值接收端點，方向為IN，讀取寄存器的值從端點6返回；配置端點8為圖片回傳端點，方向為IN，負責將FPGA中處理完成的圖片數據發回給主機。

圖1 主機與FPGA數據交互示意圖

所有的數據傳輸按照如下約定：

(1)發送命令，其格式表如表1所示。

表1 命令格式表

(2)接收命令：只接收32位寄存器值。

(3)發送圖片數據：主機先通過端點2將待發送圖片相關信息寫入對應寄存器，再發送圖片數據。發送的圖片數據是原始的灰度數據。

(4)接收圖片數據：與發送圖片數據格式相同。

1.2FPGA端控制讀取和發送USB數據

CY68013的4個端點緩沖區，緩存了主機發送給FPGA的數據，再經FPGA發送給主機的數據。FPGA通過從屬先進先出緩沖區(Slave First-In-First-Out, Slave FIFO)接口的時序信號、握手信號，讀/寫信號和輸出允許信號等，在接收時從CY68013內部端點中取出應用層的數據，在發送時將待發送數據寫入CY68013端點緩沖區。Slave FIFO硬件連接如圖2所示。

用于控制USB通信的狀態轉換過程如圖3所示。

圖3 FPGA控制Slave FIFO接口的狀態轉換圖

2 Canny算法設計與優化實現

2.1Canny算法的實現框架

Canny算法分5個步驟實現，分別為高斯平滑，梯度分量gx、gy的計算，梯度長度平方計算以及方向編碼，非局部最大值抑制，雙閾值處理邊緣連接。FPGA實現Canny算法整體框圖如圖4所示。

圖4 FPGA實現Canny算法整體框圖

2.2高斯平滑去噪

為了減少噪聲對邊緣提取的影響，先對圖像進行平滑[3]，圖像都是二維的，需要二維的正態分布，即高斯函數來做平滑處理。

以中心點為原點，對上述公式進行離散采樣，并進行規范化處理和整數化處理，得到經典的3×3高斯平滑模板，如圖5所示。

圖5 3×3高斯平滑模板

圖像的3×3鄰域高斯平滑濾波，需要先生成3×3的數據區，這里使用FPGA內部資源構建了一塊3行圖像寬度的緩沖區對3×3的像素進行加權平均計算。

2.3計算梯度幅值圖像和角度圖像

2.3.1梯度

凡是邊緣的地方應該是灰度變化比較劇烈的地方，而且有一定的方向性要求。其中，梯度向量是描述灰度變化的劇烈程度和變化方向的重要數學工具。

梯度向量有一個重要的幾何性質，它指出了f在位置(x,y)處的最大變化率的方向[4]。

向量的長度表示為M(x,y),即:

它是梯度向量方向變化率的值。

2.3.2梯度分量的離散數學近似

由于處理的是數字量，因此需要求出關于一點的鄰域上的偏導數的數字近似。這里使用3×3模板來達到處理效果，3×3像素編號如圖6所示。

圖6 3×3模板像素編號

為了使圖像變得更平滑，消除噪聲對于邊緣提取的影響，將中間的系數取為2，得到圖7所示的模板[4]。

圖7 左右分別為x方向和y方向的偏導模板

其近似偏導數的簡單的數字近似由下式給出：

2.3.3FPGA實現梯度幅值和角度計算

整體框圖中，梯度分量計算模塊的作用是為了從圖中求得梯度分量，即gx和gy,根據上述近似方法以及推導好的近似3×3模板對圖像進行整體濾波即可求得。

同樣的，α(x,y)如果按照公式求反三角函數的話會消耗掉大量的FPGA資源，價值不高，可以采用近似算法，根據gx和gy的比值關系以及gx和gy的符號正負，將梯度向量的方向近似地劃分到8個區域中,如圖8所示。這些區域以0°、45°、90°、135°為中心角度，每個方向±22.5°。對于整個坐標系而言，梯度向量的方向共分為8類，但是對于非局部最大值抑制的實現，利用中心對稱原理，只需要4個方向。采用這樣的近似策略，能夠在幾乎不損失精度的情況下，大大減少FPGA的資源消耗。另外方向劃分需要用到除法，在FPGA中除法所需要消耗的資源和時鐘數遠遠大于乘法，為了進一步減少資源的消耗，需要將兩者商的比較轉換為一個數與另兩個數的乘積的比較。

(1)當gy

(2)當gy>gx×tan22.5° 并且gy

(3)當gy>gx×tan67.5°，則為豎直邊緣，梯度方向為水平，編碼“02”。

(4)當gy>gx×tan22.5° 并且gy

梯度方向的編碼如圖9所示。

圖8 梯度方向劃分為8類

圖9 梯度方向的編碼

其中，兩個三角函數的值可以事先計算出來，可以將不等式兩邊都放大1 024倍，由于1 024為2的冪，乘積運算可以轉成移位計算，效率非常高，而且又能等效地保留較多的小數位數，保證了精確度。

2.4對梯度幅值圖像應用非最大值抑制

僅僅得到全局的梯度并不足以確定邊緣，為確定邊緣，必須保留局部梯度最大的點，而抑制非極大值。非局部極大值抑制模塊，首先取出3×3鄰域像素值，即正方形區域的9個像素值，根據中心點所劃分的梯度方向，判斷該中心點的像素的梯度長度的平方Msquare是否為該3×3鄰域該梯度方向上的極大值，如果是則保留，如果不是則舍棄。

2.5雙閾值處理及邊緣連接

3 實驗結果

圖10從上至下從左至右依次是原圖、灰度圖、OpenCV軟件處理結果和FPGA硬件處理結果，實驗結果表明CY68013+FPGA的架構可以實時對圖像提取較為精準的邊緣。

圖10 實驗結果圖

4 結論

本文通過USB2.0高速接口進行圖像數據傳輸，基于對傳統Canny算法的分析，結合硬件實現的特點對算法進行了改進，并在FPGA上實現，實現FPGA接收圖像，經Canny邊緣提取然后高速將處理完的圖片傳回主機。實驗結果表明在CY68013+FGPA的架構下，該算法可以按照預期實時地提取出圖像的邊緣。

[1] Cypress Semiconductor. EZ-USB technical reference manual[EB/OL].(2014-04-24)[2014-08-06].http://www.cypress.com.

[2] 錢峰. EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3] 王植,賀賽先. 一種基于Canny理論的自適應邊緣檢測方法[J].中國圖像圖形學報,2004,9(8): 957-958.

[4] Gonzalez, Woods著. 數字圖像處理[M].阮秋琦，阮宇智,等譯. 北京：電子工業出版社, 2011.

Embedeed real-time Canny edge detection

Nan Kailai, Fu Chaobin

(College of Computer, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Based on traditional Canny operator, a high speed and real-time edge detector based on embedded hardware architecture of CY68013 and FPGA is proposed. USB interface chip CY68013 is used to transmit the image data in high speed and FPGA is used to receive the image data from USB and realize edge detection by method of improved Canny algorithm. The proposed algorithm based on traditional Canny algorithm is improved in various aspects, including using the calculated template instead of convolution, appropriate approximate transformation, making full use of the parallel speciality. It not only keeps the advantages of traditional Canny algorithm, such as accurate positioning, unilateral response and high signal to noise ratio, but also speeds up the calculation of edge detection, decreases the latch, increases the real-time property.

CY68013; FPGA; Canny; embedded; edge detection

TP751

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.013

南開來，傅超斌.嵌入式實時Canny邊緣檢測[J].微型機與應用，2017,36(19)：45-47，51.

2017-03-12)

南開來(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：基于可編程邏輯陣列的圖像處理。E-mail：379838266@qq.com。傅超斌(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：LD-VHDL的并行編譯。