基于FPGA的線陣CCD子圖像提取模塊的設計與仿真

李壽強

（成都工業學院，四川成都，610081）

0 引言

在工業生產自動化系統中，通過計算機視覺和圖像處理技術來實現產品的質量監測和控制，已逐漸成為一種有效的應用技術。線陣CCD圖像傳感器廣泛地應用于產品尺寸測量和分類、非接觸尺寸測量、條形碼、形態識別等眾多領域。在圖像檢測系統中，應具備一個高速的子圖像提取和輸出模塊，本文采用FPGA器件EP3C25F256C8和CCD線陣圖像傳感器RL1024P，實現線陣CCD圖像檢測系統中的子圖像提取和輸出功能。

1 子圖像提取模塊的設計

子圖像提取模塊的功能可描述為：采用FPGA器件實現，根據串行輸入的黑白圖像和同步信號，提取該圖像中設定尺寸大小的子圖像。假設輸入圖像大小為i * j，某一像素點的坐標位置為（X,Y），要取出子圖像的大小為m * n，則用c代碼描述為：for(b=0;b

根據系統設計的要求，線陣CCD圖像采集模塊采用串行的方式輸出1x1024像素的一行圖像，子圖像提取模塊接收該圖像數據、緩沖、再輸出16x16像素的子圖像。子圖像提取模塊的外部端口，如圖1所示。主要信號有：像素同步時鐘信號CCD_CLK、像素數據CCD_DATA、當前輸入像素的坐標CCD_ADDR[9..0]；另外，N_RST和SYS_CLK為系統提供的復位信號和處理時鐘信號。其中，每個CCD_CLK的上升沿出現時CCD_DATA像素有效，且該像素所在的位置為CCD_ADDR[9..0]值。為了實現每個CCD_CLK周期內均輸出一個子圖像，SYS_CLK應該為CCD_CLK的10倍左右。

本文采用“圖像轉置緩沖區”的方法來實現子圖像提取模塊。“圖像轉置緩沖區”是一個按行寫入（更新）、按列讀出的一個RAM緩沖區。在FPGA內部設置一個1024個單元的RAM緩沖區，每個單元的位寬為16bits。線陣CCD采集模塊輸出的線陣圖像與子圖像的關系，如圖2所示。其中，第0行表示圖像的當前行，第N行為歷史行，每行有1024個像素，按照p0至p1023的像素順序輸出。假設當前CCD_CLK輸入的像素為第0行的p16像素，則其對應的16X16子圖像為圖中的陰影部分。

圖1 子圖像提取模塊的外部端口

圖2 線陣圖像與子圖像的關系沖區”的存儲結構

圖3 “圖像轉置緩

“圖像轉置緩沖區”RAM塊存儲圖像的結構，如圖3所示。RAM塊共有1024個單元，每個單元為16位的寬度，可存放最近的16行圖像數據。對比圖2和圖3，可以發現，RAM塊的地址編號相當于線陣CCD圖像的某一行像素的位置，某個RAM單元的位D15～D0對應某一列的最近16個像素，相當于對線陣圖像轉置后再存放到RAM塊中。對RAM緩沖區進行寫操作時，由于線陣CCD圖像的數據是按行逐位輸入的，每個CCD_CLK時鐘上升沿出現時，僅需更新RAM緩沖區中當前像素對應的比特，因此在邏輯上是根據圖像按行寫入RAM區的。在FPGA器件中，可設計一個狀態機來實現“圖像轉置緩沖區”的讀寫操作，如圖4所示。

圖4 圖像轉置RAM讀寫狀態機

子圖像提取模塊輸出的子圖像有256個像素，在FPGA內部通過寄存器暫存上一個輸出的子圖像；當更新RAM區的某個像素時，把16X16的滑動窗口向右移動一列像素的位置，把滑動窗口內的數據作為輸出，就可以得到新的子圖像。

2 設計仿真

在本文的設計仿真中，由于用到圖像文件的解析和圖像顯示，因此借助MATLAB和Modelsim軟件，通過文件讀寫的方式實現的聯合仿真，可使仿真處理更加便捷和直觀。其中，MATLAB用來把圖像文件轉換為輸入的像素，以及顯示輸出的子圖像；Modelsim用來仿真和驗證FPGA設計是否正確。

本文使用MATLAB和Modelsim進行聯合仿真，主要有以下三個步驟。第一步，在MATLAB中編寫m文件，讀取bmp位圖文件并把像素數據寫入文件datain.txt中，作為ModelSim仿真的輸入激勵信號。第二步，在ModelSim中，用VHDL編寫Testbench測試文件，讀取datain.txt文件，產生與CCD_CLK同步的像素信號；編寫DO文件進行自動化仿真，再把仿真輸出的子圖像數據保存在dataout.txt文件中。第三步，在MATLAB中編寫m文件，解析dataout.txt文件，依次顯示為16x16的黑白圖片序列，確定仿真結果是否正確。本設計仿真輸入的圖像及輸出的子圖像序列，如圖5所示。從仿真結果可知，設計方法是正確的，仿真結果符合設計功能的要求。

圖5 仿真輸入的圖像和輸出的子圖像序列

3 結束語

應用線陣CCD圖像傳感器進行產品檢測時，連續、高速地輸出子圖像序列是必不可少的重要環節，采用FPGA實現子圖像序列的提取和輸出，有多種不同的設計方法。本文采用“圖像轉置緩沖區”和狀態機的方式，來實現系統所要求的子圖像提取和輸出的功能，并用MATLAB和ModelSim工具軟件對設計進行了聯合仿真，該方法具有FPGA資源占用少、結構簡單、高速處理，以及便捷和直觀的特點，對其他類似的FPGA設計項目有很好的參考作用。

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