基于FPGA的地板圖像采集和中值濾波設計

摘要 實木地板圖像采集和預處理是基于計算機視覺的地板等級在線分選的重要步驟，由于圖像數據量大，采用基于CPU架構的軟件處理方法無法滿足在線分選的實時性要求。該文充分利用FPGA的并行處理能力和流水線技術，設計了靈活度高、處理速度快的地板圖像采集與預處理系統。設計的基于FPGA并行運算的快速中值濾波算法，有效解決了經典中值濾波算法比較次數多、比較速度慢的問題。實驗結果表明該文所設計的算法能夠顯著提高圖像預處理速度。

關鍵詞 實木地板；圖像處理；圖像采集；中值濾波

中圖分類號 S784 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05683-03

Abstract Solid wood flooring image acquisition and preprocessing is an important step on the floor level sorting based on computer vision； because a large amount of image data，the use of online sorting unable to meet the realtime requirements of CPU processing method based on the software architecture. By utilizing the FPGA parallel processing capabilities and pipeline technology，flexibility and high processing speed of image acquisition and preprocessing systems for floor was designed. Design of FPGAbased parallel computing fast median filtering algorithm，an effective solution to the classical median filtering algorithm is relatively more often. Experimental results show that the proposed algorithm is designed to significantly improve the speed of image preprocessing.

Key words Solid wood floor； Image processing； Image acquisition； Median filtering

實木地板表面缺陷嚴重影響了地板等級和質量[1]。在實木地板等級在線分選系統中，采集到的圖像數據量大，實時性要求比較高。基于 CPU架構的指令串行處理方法處理圖像時消耗時間長，在一定程度上影響了板材分選的實時性[2-3]。現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA）是基于硬件的處理器，具有強大的并行處理能力，與DSP、ARM等相比，FPGA能夠實現硬件加速和流水線技術，因而在處理數據流量大的圖像方面擁有得天獨厚的優勢[4-6]。

該文首先設計了基于FPGA的地板圖像實時采集系統，其次針對經典中值濾波算法比較次數多、處理時間長的缺點[7]，充分發揮FPGA的并行處理能力和流水線技術，設計了基于FPGA硬件的并行中值濾波算法。實驗結果表明該文設計的系統和算法能夠在保證處理效果的基礎上明顯提高處理速度。

3.3 地板圖像測試 使用硬件在環仿真方法對設計的算法進行測試。將該文算法處理結果與MATLAB的處理結果進行對比（圖7）。由圖7可以看出，在FPGA處理結果圖像的左邊界和上邊界各出現1條黑線。通過讀取Workspace中的像素灰度值可以發現，這2條黑線正好是2單個像素寬。其實這是圖像模板卷積的固有缺陷，由于單個像素寬不會影響圖像整體，可直接將其忽略。

文中圖像濾波算法使用的時鐘是經PLL倍頻后的50MHz輸出時鐘，在不考慮初始情況下，每隔1個時鐘處理1個像素，那么對于1幅像素為640×480的灰度圖像來說，處理時間約為6.144 ms。在該頻率下，將FPGA的處理時間與PC機的處理時間進行對比（表1）。其中計算機的硬件環境為：Windows XP操作系統，Intel雙核CPU，主頻2 GHz，1.99 GB內存，320 GB硬盤，處理平臺為MATLAB 2011b。表2是該濾波模塊邏輯資源占用情況。

通過以上分析可以看出，與基于CPU架構的串行處理算法相比，基于FPGA的快速中值濾波算法不僅占用的邏輯資源少，而且容易實現，處理同樣大小的圖像，其處理速度也明顯優于PC機。

4 結論

該文設計了基于FPGA的實木地板圖像采集和預處理系統，其次針對經典中值濾波算法比較次數多、處理時間長的缺點，設計了基于FPGA硬件的并行中值濾波算法，該算法能夠在保證濾波結果的基礎上提高圖像處理速度。與傳統基于計算機的實木地板圖像采集系統和預處理算法相比，該文所設計的算法靈活度高、實時性強，對實際生產實踐具有一定的參考意義和創新性。

參考文獻

[1]張怡卓，曹軍，許雷，等. 實木地板缺陷形態學分割與SOM識別[J].電機與控制學報，2013，17（4）：116-120.

[2] 侯法柱，彭楚武，方亮. 圖像中值濾波算法及其 FPGA 的實現[J]. 微計算機信息，2011，27（1）：69-71.

[3] 王德勝，康令州. 基于 FPGA 的實時圖像采集與預處理[J]. 電視技術，2011，35（3）：32-35.

[4] 孫春鳳，袁峰，丁振良. 基于 FPGA 的多通道高速 CMOS 圖像采集系統[J]. 計算機工程與應用，2008，44（21）：46-48，105.

[5] 魏常偉，袁縱橫，張文濤，等. 基于 FPGA 的新型高速 CCD 圖像數據采集系統[J]. 電子技術應用，2010（4）：47.

[6] 楊國田，張健，吳華，等. 基于 FPGA 的高速圖像采集處理系統[J]. 華中科技大學學報：自然科學版，2013（S1）：149-152.

[7] 沈學利，王肅國. 基于 FPGA 的改進型中值濾波算法研究[J]. 微電子學與計算機，2014，31（1）：21-24.