光电系统图像预处理算法研究及FPGA实现

作     者：党榕 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈伟;魏韦华

授予年度：2022年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：图像预处理 修正的阿尔法均值滤波 形态学边缘检测 FPGA 

摘      要：实时采集的光电视频图像受到成像环境、电子元器件特性及传感器材质等各种因素的影响,往往存在噪声污染严重和轮廓模糊的问题。为了降低图像的混合噪声、细化图像边缘,且满足实时需求,本文通过研究并改进图像预处理相关算法,设计一个基于FPGA的光电图像采集及预处理系统,具体研究内容如下:(1)针对传统滤波算法去噪单一和边缘检测算法精度较低的问题,提出一种改进的图像预处理算法:滤波方面在传统中值滤波及均值滤波的基础上,使用一种修正的阿尔法均值滤波算法,可以有效抑制混合噪声,改善传统滤波算法去噪的单一性;边缘检测方面使用一种形态学边缘检测算法,在传统Sobel算子的基础上,结合形态学腐蚀膨胀算法,更好地提取并细化图像边缘。改进算法通过MATLAB平台加以验证,实验结果表明,改进算法较传统算法去噪及边缘检测的效果更好。(2)搭建实时视频图像采集系统。系统包括图像采集模块、数据存储模块以及图像显示模块。图像采集模块选用CMOS摄像头采集实时图像;数据存储模块选用SDRAM芯片进行数据缓存,并调用SDRAM控制器IP核进行相关控制;图像显示模块调用视频输出IP核实现VGA时序,完成预处理后图像的实时显示。(3)对改进后的图像预处理算法进行优化设计,移植于FPGA平台实现。其中,修正的阿尔法均值滤波主要包含边界点填充、窗口生成、全比较排序以及加法树求和等子模块;形态学边缘检测主要包含梯度计算、阈值比较、腐蚀、膨胀等子模块。将设计好的图像预处理算法依次加入实时视频图像采集系统,实现光电图像的采集及预处理。系统完成后上板进行结果验证。对各模块进行编译综合,逐层叠加算法,观察实验结果。实验结果表明,本系统有效抑制了噪声且细化了图像边缘,处理后图像的峰值信噪比提升了 2.42dB,且每帧图像的处理时间达到约0.033s。经过系统分析得出,本文系统处理效果较好且具有实时性,在实时图像处理中具有一定的参考价值。