基于FPGA的线阵CCD子图像提取模块的设计与仿真

根据线阵CCD 图像检测和识别系统的要求，分析线阵CCD 图像与子图像的位置关系，采用“图像转置缓冲区”和读写状态机的处理方式，设计基于FPGA 的线阵CCD 子图像提取模块，具有FPGA 资源占用少、逻辑清晰的特点。用MATLAB 和Modelsim 软件进行联合仿真，验证了设计的正确性。

0 引言

在工业生产自动化系统中，通过计算机视觉和图像处理技术来实现产品的质量监测和控制，已逐渐成为一种有效的应用技术。线阵CCD 图像传感器广泛地应用于产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码、形态识别等众多领域。在图像检测系统中，应具备一个高速的子图像提取和输出模块，本文采用FPGA 器件EP3C25F256C8 和CCD 线阵图像传感器RL1024P,实现线阵CCD 图像检测系统中的子图像提取和输出功能。

1 子图像提取模块的设计

子图像提取模块的功能可描述为：采用FPGA 器件实现，根据串行输入的黑白图像和同步信号，提取该图像中设定尺寸大小的子图像。假设输入图像大小为i * j,某一像素点的坐标位置为（X,Y），要取出子图像的大小为m * n,则用c 代码描述为：for（b=0;b<j ; b++）{for （a=0;a<i; a++）{ // 取出Xa,Yb 到 Xa+m,Yb+n 的子图像；} }

根据系统设计的要求，线阵CCD 图像采集模块采用串行的方式输出1×1024 像素的一行图像，子图像提取模块接收该图像数据、缓冲、再输出16×16 像素的子图像。子图像提取模块的外部端口，如图1 所示。主要信号有：像素同步时钟信号CCD_CLK、像素数据CCD_DATA、当前输入像素的坐标CCD_ADDR[90] ;另外，N_RST 和SYS_CLK 为系统提供的复位信号和处理时钟信号。其中，每个CCD_CLK 的上升沿出现时CCD_DATA 像素有效，且该像素所在的位置为CCD_ADDR[90] 值。

　　
图1 子图像提取模块的外部接口

为了实现每个CCD_CLK 周期内均输出一个子图像，SYS_CLK应该为CCD_CLK 的10 倍左右。

本文采用“图像转置缓冲区”的方法来实现子图像提取模块。“图像转置缓冲区”是一个按行写入（更新）、按列读出的一个RAM 缓冲区。在FPGA 内部设置一个1024 个单元的RAM 缓冲区，每个单元的位宽为16bits.线阵CCD 采集模块输出的线阵图像与子图像的关系，如图2 所示。其中，第0 行表示图像的当前行，第N 行为历史行，每行有1024 个像素，按照p0 至p1023 的像素顺序输出。假设当前CCD_CLK 输入的像素为第0行的p16 像素，则其对应的16X16 子图像为图中的阴影部分。

　　
图2 线阵图像与子图像的关系


图3 图像转置缓冲区的存储结构

“图像转置缓冲区”RAM 块存储图像的结构，如图3 所示。

RAM 块共有1024 个单元，每个单元为16 位的宽度，可存放最近的16 行图像数据。对比图2 和图3,可以发现，RAM 块的地址编号相当于线阵CCD 图像的某一行像素的位置，某个RAM单元的位D15 ~ D0 对应某一列的最近16 个像素，相当于对线阵图像转置后再存放到RAM 块中。对RAM 缓冲区进行写操作时，由于线阵CCD 图像的数据是按行逐位输入的，每个CCD_CLK 时钟上升沿出现时，仅需更新RAM 缓冲区中当前像素对应的比特，因此在逻辑上是根据图像按行写入RAM 区的。在FPGA器件中，可设计一个状态机来实现“图像转置缓冲区”的读写操作，如图4 所示。

　　
图4 图像转置RAM读写状态机

子图像提取模块输出的子图像有256 个像素，在FPGA 内部通过寄存器暂存上一个输出的子图像；当更新RAM 区的某个像素时，把16X16 的滑动窗口向右移动一列像素的位置，把滑动窗口内的数据作为输出，就可以得到新的子图像。

2 设计仿真

在本文的设计仿真中，由于用到图像文件的解析和图像显示，因此借助MATLAB 和Modelsim 软件，通过文件读写的方式实现的联合仿真，可使仿真处理更加便捷和直观。其中，MATLAB 用来把图像文件转换为输入的像素，以及显示输出的子图像；Modelsim 用来仿真和验证FPGA 设计是否正确。

本文使用MATLAB 和Modelsim 进行联合仿真，主要有以下三个步骤。第一步，在MATLAB 中编写m 文件，读取bmp 位图文件并把像素数据写入文件datain.txt 中，作为ModelSim仿真的输入激励信号。第二步，在ModelSim 中，用VHDL 编写Testbench 测试文件，读取datain.txt 文件，产生与CCD_CLK 同步的像素信号；编写DO 文件进行自动化仿真，再把仿真输出的子图像数据保存在dataout.txt 文件中。第三步，在MATLAB 中编写m 文件，解析dataout.txt 文件，依次显示为16×16 的黑白图片序列，确定仿真结果是否正确。本设计仿真输入的图像及输出的子图像序列，如图5 所示。从仿真结果可知，设计方法是正确的，仿真结果符合设计功能的要求。

　　

图5 仿真输入的图像和输出的子图像序列

3 结束语

应用线阵CCD 图像传感器进行产品检测时，连续、高速地输出子图像序列是必不可少的重要环节，采用FPGA 实现子图像序列的提取和输出，有多种不同的设计方法。本文采用“图像转置缓冲区”和状态机的方式，来实现系统所要求的子图像提取和输出的功能，并用MATLAB 和ModelSim 工具软件对设计进行了联合仿真，该方法具有FPGA 资源占用少、结构简单、高速处理，以及便捷和直观的特点，对其他类似的FPGA 设计项目有很好的参考作用。