摘  要： 介紹一種基于FPGA的鐵軌檢測(cè)方法，包括嵌入式圖像處理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)搭建和基于FPGA的圖像處理算法的研究。采用基于FPGA的軟核技術(shù)，完成圖像增強(qiáng)和復(fù)原、邊緣檢測(cè)、閾值分割、連通域搜索等圖像處理基本算法，實(shí)現(xiàn)在圖像中完成鐵軌區(qū)域的提取。
關(guān)鍵詞： FPGA；嵌入式系統(tǒng)； 圖像處理；鐵軌檢測(cè)

1 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程
　設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，主要包括硬件平臺(tái)搭建和應(yīng)用軟件編寫。基于FPGA技術(shù)，硬件平臺(tái)搭建和軟件編寫都可在相應(yīng)的軟件平臺(tái)上完成。EDK(Embedded Development Kit)是Xilinx公司開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的套件工具。EDK套件工具主要包括硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器和軟件編譯調(diào)試等工具，利用其集成開發(fā)環(huán)境XPS(platform studio)可以方便地完成嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)[1]，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 硬件平臺(tái)搭建過程
　分析系統(tǒng)需求中，鐵軌檢測(cè)主要是進(jìn)行圖像的分析處理，包括三個(gè)主要部分：圖像輸入、圖像處理和結(jié)果顯示。本項(xiàng)目使用依元素公司生產(chǎn)的Xilinx Spartan-3a系列xc3s700a的FPGA開發(fā)板，軟件版本為Xilinx10.1。圖像輸入有下列途徑：USB接口、RS232串口、100 M以太網(wǎng)接口、EDK套件XMD調(diào)試平臺(tái)直接下載等。本文將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.ELF文件格式，直接燒寫入Flash中。本文不追求實(shí)現(xiàn)視頻流處理，并且圖像要多次使用，源圖像存儲(chǔ)在Flash中最合理。圖像處理由Microblaze軟核系統(tǒng)和檢測(cè)程序共同完成；圖像顯示由TFT控制器通過VGA輸出信號(hào)在液晶顯示屏顯示。具體硬件平臺(tái)搭建過程如下：
　(1)按照XPS應(yīng)用向?qū)В⒆钚∠到y(tǒng)，配置Microblaze軟核系統(tǒng)參數(shù)和添加UART外設(shè)。
　(2)添加IP核，并連接到相應(yīng)總線，主要為內(nèi)存控制器、通信控制和GPIO等。
　(3)添加自定義的IP。盡管Xilinx提供了許多免費(fèi)IP，但是免費(fèi)的IP不能滿足用戶的所有設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目需要自定義的IP有用于控制液晶顯示的TFT_Controller和用于內(nèi)存地址總線及數(shù)據(jù)總線復(fù)用的Mux_logic IP。PLB_TFT_Controller主要產(chǎn)生RGB信號(hào)、行場(chǎng)掃描、同步信號(hào)等，Mux_logic IP用于對(duì)SDRAM和Flash總線復(fù)用進(jìn)行控制，輸入為SDRAM和Flash的控制IP產(chǎn)生的地址總線信號(hào)和數(shù)據(jù)總線信號(hào)及使能信號(hào)，輸出為復(fù)用地址總線、數(shù)據(jù)總線信號(hào)。
　(4)配置相應(yīng)IP，并進(jìn)行信號(hào)互聯(lián)，將需要控制硬件的port連接到外部。分配地址空間，添加UCF配置文件。
　(5)生成硬件比特流文件和硬件驅(qū)動(dòng)文件。硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)過程
3.1 鐵軌檢測(cè)原理

　本項(xiàng)目中鐵軌檢測(cè)主要考慮兩種方案[2]：基于邊緣特征和基于區(qū)域特征。(1)基于邊緣特征檢測(cè)方法先在全局范圍檢測(cè)出邊緣線，再通過模型或特征限制條件，從邊緣圖中獲得目標(biāo)邊緣。(2)基于區(qū)域特征的鐵軌檢測(cè)，利用區(qū)域統(tǒng)計(jì)特性，即鐵軌區(qū)域區(qū)別于周圍環(huán)境獨(dú)特統(tǒng)計(jì)特性來判斷鐵軌區(qū)域。兩種方法中，前者檢測(cè)到的鐵軌線較為準(zhǔn)確，但是其對(duì)二值化閾值嚴(yán)重依賴；后者抗噪性較好，但檢測(cè)的鐵軌線不夠準(zhǔn)確，本文主要討論基于區(qū)域特征的鐵軌檢測(cè)。
　基于區(qū)域特征鐵軌檢測(cè)流程如圖3所示，分為四個(gè)步驟：

　(1)降低分辨率。在濾波之前，先降低圖像分辨率，以消除圖像細(xì)節(jié)，也可減輕后續(xù)處理的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
　(2)濾波處理。分辨率降低后，圖像中仍有很多的突兀點(diǎn)，這是因?yàn)殍F軌上各種電磁信號(hào)的存在，攝像頭采集到的圖像不可避免地受到高斯噪聲、系統(tǒng)噪聲的污染。考慮到圖像特征，選用中值濾波，它在平滑脈沖噪聲方面非常有效，同時(shí)可以保護(hù)圖像尖銳的邊緣。
　(3)邊緣提取。利用邊緣檢測(cè)算子檢查每個(gè)像素的鄰域并對(duì)灰度變化率進(jìn)行量化，包括方向的確定。Sobel邊緣檢測(cè)算子方向性靈活，可以設(shè)置不同的系數(shù)，抑制噪聲效果較好，使用范圍廣泛，因此選用Sobel算子。同時(shí)鐵軌圖像橫向變化不大，而在縱向有很大的延伸，故也只考慮圖像垂直邊緣響應(yīng)。
　(4)連通域搜索。二值化處理后邊緣圖包含了鐵軌信息，也含有很多非鐵軌邊緣。使用八連通區(qū)域搜索法，進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，記錄相互獨(dú)立的連通區(qū)域個(gè)數(shù)并進(jìn)行標(biāo)號(hào)。對(duì)連通區(qū)域按照長(zhǎng)度大小進(jìn)行排列，直到搜索出縱向最長(zhǎng)的兩根鐵軌，然后判斷并標(biāo)記左右兩鐵軌，之后進(jìn)行區(qū)域填充，最終可以看到標(biāo)記的鐵軌區(qū)域。
3.2 OpenCV仿真結(jié)果
　本項(xiàng)目程序首先實(shí)現(xiàn)OpenCV仿真，然后移植到FPGA中。OpenCV提供的圖像處理算法非常豐富，并且部分程序以C語言編寫，處理得當(dāng)，不需要添加新的外部支持就可以完整的編譯連接生成執(zhí)行程序進(jìn)行算法移植。本次仿真只運(yùn)用“cv.h”和“highhui.h”兩個(gè)OpenCV庫，主要是運(yùn)用其圖像加載、圖像顯示等函數(shù)，而中值濾波、邊緣檢測(cè)、鐵軌搜索函數(shù)自行編寫。仿真結(jié)果如圖4所示。

3.3 FPGA程序移植過程
3.3.1 圖像輸入與顯示[3]
　本項(xiàng)目把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.ELF文件格式，燒錄到NOR-Flash，在XPS的菜單下點(diǎn)擊Program Flash Memory，選擇自動(dòng)格式轉(zhuǎn)換，即可進(jìn)行燒錄，而且可以指定燒錄數(shù)據(jù)的位置。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換利用Matlab軟件完成，程序如下：
fid = fopen(′pic.elf′， ′w′)；//打開文件
img =imread(′Image03.BMP′)；//讀圖像數(shù)據(jù)
imshow(img)；//顯示圖像
fwrite(fid，img.′)；//寫數(shù)據(jù)
fclose(fid)；//關(guān)閉文件
　由于是灰度圖像，只讀取其亮度值。圖像分辨率為640×480。寫數(shù)據(jù)可以用fprintf函數(shù)或fwrite函數(shù)，但是實(shí)驗(yàn)表明使用fprintf函數(shù)寫數(shù)據(jù)，文件大小302 kB，顯示圖像不正常；而使用fwrite函數(shù)寫數(shù)據(jù)文件僅300 kB，顯示圖像正常。說明兩種函數(shù)寫數(shù)據(jù)方式本質(zhì)不同，造成寫入數(shù)據(jù)格式不同。
　圖像顯示過程：先從Flash中每次一行把數(shù)據(jù)讀入BRAM，然后把每一位亮度值移位變?yōu)镽、G、B三位，再?gòu)腂RAM讀數(shù)據(jù)到SDRAM顯存，如此循環(huán)480次，用以顯示圖片。由于R、G、B值相同，顯示的便是灰度圖像。如果直接從Flash讀數(shù)據(jù)到SDRAM顯存，顯示圖像每行有不規(guī)則不連續(xù)的黑點(diǎn)，甚至顯示不正常。顯存的設(shè)置在TFT-Controller IP中完成，顯存空間為2 MB，起始地址與SDRAM起始地址相同。
3.3.2 圖像處理程序移植[3]
　由于開發(fā)環(huán)境不同，移植后程序在獨(dú)立系統(tǒng)上運(yùn)行，需要對(duì)OpenCV仿真程序做一些改正。FPGA編程系統(tǒng)支持C語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，所以打印輸出顯示函數(shù)print()、動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)malloc()可以直接使用。盡管printf()函數(shù)也可以用于打印輸出結(jié)果，但目的是把程序放入大小為32 KB的BRAM，實(shí)驗(yàn)表明它比print()函數(shù)占用空間大一倍。在OpenCV中，可以直接使用cvShowImage()、cvReleaseImage()、cvDestroyWindow()函數(shù)顯示圖像和釋放內(nèi)存空間，在移植程序中要自行設(shè)計(jì)這些函數(shù)。移植程序中subplot()函數(shù)用于在屏幕上顯示4幅圖像(降低分辨率源圖像、濾波圖像、閾值分割圖像、鐵軌檢測(cè)圖像)，DeleteAllPointElems()函數(shù)用于釋放內(nèi)存空間。其他函數(shù)，例如降低分辨率函數(shù)Dec()、濾波函數(shù)filter()、邊緣檢測(cè)函數(shù)edge()，可以完全使用OpenCV中的程序，不需要做修改。移植后主程序如下：
int main()
{ print("\r\n-- Entering main() --\r\n")；
      SourceImage=(Xuint8*)malloc(640×480)；
  DecImage=(Xuint8*)malloc(320×240)；
  FilterImage=(Xuint8*)malloc(320×240)；
  EdgeImage=(Xuint8*)malloc(320×240)；
  ResultImage3=(Xuint8*)malloc(320×240)；
//為圖像分配內(nèi)存空間
if (SourceImage==NULL)
  {print("\r\n--mem allo fail--\r\n")；
  exit(1)；}//驗(yàn)證空間是否分配成功
  XTft_Initialize(&Tft， TFT_DEVICE_ID)；
  //TFT顯示初始化
XromTftTestColor("black"， 0)；
//顯示背景設(shè)置為黑色
flbuf=(unsigned char*)Flash_BASEADDR；
//設(shè)置Flash圖像基地址指針
p=SourceImage；//設(shè)置源圖像指針
for (y=0；y<HEIGHT；y++)
{rowpoint1=flbuf+y*WIDTH；
  for(x=0；x<WIDTH；x++)
  {data1=*(rowpoint1+x)；
       *p++=data1；
    } }//讀源圖像數(shù)據(jù)
dec(SourceImage，DecImage)；
filter(DecImage，F(xiàn)ilterImage，320)；
edge(FilterImage，EdgeImage，320)；
 //圖像降低分辨率、濾波、邊緣化
nt areanum=0；
GetFeature(EdgeImage，320，240，
ConnLabel，pFeatures，&areanum)；
//邊緣提取，搜索連通域
 GetRailArea(320，240，pFeatures，
areanum，lowLeftRail，lowRightRail)；
//搜索鐵軌區(qū)域，獲得左右軌
 int i， j；
 for (i=1； i <= areanum；i++){
 DeleteAllPointElems(pFeatures[i])；}
 //釋放內(nèi)存空間
int Left，Right；
for(i=1；i<240； i++){
 Left=lowLeftRail[i]；
 Right=lowRightRail[i]；
 if((Left>0)&&(Right>0)){
 for(j=Left；j<=Right；j++){
*(TrackImage+i*320+j)=255；}}}
 //填充鐵軌左右軌之間區(qū)域
subplot(DecImage，1)；
subplot(FilterImage，2)；
subplot(EdgeImage，3)；
subplot(TrackImage，4)；
 //顯示4幅處理圖像
print("-- Exiting main() --\r\n")；
   }
　FPGA圖像處理結(jié)果如圖5所示。

　本文實(shí)現(xiàn)基于FPGA的鐵軌檢測(cè)算法，首先完成OpenCV程序仿真，然后移植到FPGA構(gòu)建的硬件系統(tǒng)中，可以成功檢測(cè)出鐵軌所在區(qū)域，并在一定條件下進(jìn)行鐵軌智能延長(zhǎng)。研究結(jié)果表明，檢測(cè)一幅分辨率為640×480圖像，大約需要30 s，如果應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻流系統(tǒng)中，則硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行精簡(jiǎn)，以提高速度。也可考慮基于硬核、多核技術(shù)，來提高處理速度，以滿足實(shí)時(shí)視頻流處理。
參考文獻(xiàn)
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