Laplacian图像边缘检测器的FPGA实现研究

对于该卷积运算的实现，采用前述的"速度最优的高阶分布式算法"，其硬件实现的原理框图如图3所示。它是完全流水线式字并行结构，能够达到最大的运算速度。其中的8个ROM是用于实现9个R图位的数相乘，每个ROM都实现一个9位的查找表的功能。5．3卷积运算数据"流水线"输入模块的设计图像的像素是由CCD(或CMOS)摄像机经A／D转换，再经量化而得到，并放入帧存储器。在图像中，整幅图像像素以帧为单位进行存储。每一帧数据的存储方式如图4所示。卷积运算扫描像素的获取如图5所示，该数据输入方式，使用了两个32位的移位寄存器存放像素值，避免了卷积运算中对存储器数据的高度重复读取，使用9个寄存器实现了数据由串行到并行的转换，实现了完全"流水线"的输入方式。

5．4 系统的仿真结果

　　根据前述的总体设计方案，使用VHDL设计进行各个模块和系统总体程序，选择的FPGA为ALTERA／FLEX／EPF10K20TC144-3，使用的开发工具是MAX+plus II 10．0。图6是边缘检测器的时序仿真图(钟频率10 MHz)，由波形仿真结果分析可知，系统达到了设计功能要求，该系统经过初始的两行行延迟和串并转化后(为72个时钟周期)，以后每个时钟周期就可"流水式"输出一个处理结果，若系统时钟周期TCLK，对于像素为N个点的数字图像，系统的处理时间TN=70xTCLK+N×TCLK。处理一幅1 024x1 024的图像的时间，当系统时钟为10MHz时，仅需0．1 s，而系统时钟为10 MHz时，仅需0．Ol s。

6 结语

　　在Laplacian图像边缘检测器的设计中，采用了速度最优的高阶分布式算法(DA)完成模板的卷积运算，使用两个32位的移位寄存器存放像素值，避免了卷积运算中对存储器数据的高度重复读取，使用9个寄存器实现数据由串行到并行的转换，实现了完全"流水线"的数据输入方式，从而在资源．速度上达到了较好的优化，具有良好的实时处理性能。若系统工作时钟为100 MHz，则处理一幅1 024x1 024的图像的时间仅需0．01 s左右。"流水线"的数据输入方式和分布式卷积运算的设计思想，对于数字图像和数字信号处理的FPGA硬件实现，具有广泛的推广应用价值。