圓霍夫變換的高速vlsi結構的制作方法
【專利摘要】圓霍夫變換的高速VLSI結構，涉及一種圓檢測裝置。為了解決目前采用圓霍夫變換的圓檢測裝置存在檢測實時性低的問題。它是基于FPGA或ASIC實現(xiàn)，邊緣信息提取模塊，用于在接收的數字圖像信息中提取邊緣位圖信息；乒乓結構片外RAM，用于存儲提取的邊緣位圖信息；圓霍夫變換模塊，用于從乒乓結構片外RAM中從讀取邊緣位圖信息，并根據所述邊緣位圖信息、利用圓霍夫變換算法得出備選圓的位置及半徑信息；邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構，用于存儲備選圓的位置、半徑和邊緣位圖信息；圓驗證模塊，對備選圓的位置及半徑信息進行驗證，并輸出最終檢測結果。它適用于在進行圖像處理中的圓檢測。
【專利說明】圓霍夫變換的高速VLSI結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圓檢測裝置，特別涉及一種圓霍夫變換的高速VLSI結構。
【背景技術】
[0002]圓檢測是計算機視覺領域的一個常見問題，其目的是從一幅數字圖像中搜索出圓形的物體或輪廓，在工業(yè)生產、視頻監(jiān)控、智能交通等領域有廣泛應用。圓霍夫變換是一種準確率較高、魯棒性較好的圓檢測算法，但其運算復雜度較高，對內存帶寬需求量大，較難應用于高實時性要求(延遲不高于數十毫秒甚至數毫秒)的場合。所以目前采用圓霍夫變換的圓檢測裝置存在檢測實時性低的問題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決目前采用圓霍夫變換的圓檢測裝置存在檢測實時性低的問題，本發(fā)明提供一種圓霍夫變換的高速VLSI結構。
[0004]本發(fā)明的圓霍夫變換的高速VLSI結構，它是基于FPGA或ASIC實現(xiàn)，它包括邊緣信息提取模塊、乒乓結構片外RAM、圓霍夫變換模塊、邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構和圓驗證模塊；
[0005]邊緣信息提取模塊，用于在接收到的數字圖像信息中提取輸入圖像的邊緣位圖信息；
[0006]乒乓結構片外RAM，用于存儲提取的邊緣位圖信息；
[0007]圓霍夫變換模塊，用于從乒乓結構片外RAM中從讀取邊緣位圖信息，并根據所述邊緣位圖信息、利用圓霍夫變換算法得出備選圓的位置及半徑信息；
[0008]邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構，用于存儲備選圓的位置、半徑和邊緣位圖信息；
[0009]圓驗證模塊，對得出的備選圓的位置及半徑信息進行驗證，并輸出最終檢測結果。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明提供的圓霍夫變換的大規(guī)模集成電路結構(very-large-scale integration, VLSI),實現(xiàn)灰度圖像中圓形目標的高速、低延遲檢測，吞吐率達到115M點/秒，即每秒處理374幀分辨率為640X480的圖像或110幀分辨率為1024X 1024的圖像。該結構可作為IP(intellectual property)核應用于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)或專用集成電路(application-specificintegrated circuit, ASIC)中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為【具體實施方式】一所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構的原理示意圖。
[0012]圖2為【具體實施方式】二所述的行緩存模塊的原理示意圖。
[0013]圖3為【具體實施方式】二所述的提取邊緣位圖及梯度方向的模塊中輸入圖像的邊緣標志is_edge獲得的原理示意圖。[0014]圖4為為【具體實施方式】二所述的提取邊緣位圖及梯度方向的模塊中輸入圖像的梯度方向sin Θ與cos Θ獲得的原理示意圖。
[0015]圖5為【具體實施方式】三所述的圓霍夫變換模塊的原理示意圖。
[0016]圖6為【具體實施方式】四所述的投票模塊的原理示意圖。
[0017]圖7為【具體實施方式】四所述的投票單元的原理示意圖。
[0018]圖8為【具體實施方式】四所述的進行滑動單元投票的原理示意圖。
[0019]圖9為【具體實施方式】五所述的圓驗證模塊的原理示意圖。
[0020]圖10為【具體實施方式】六所述的最大票數搜索模塊的原理示意圖。
[0021]圖11為【具體實施方式】七所述的邊緣點計數模塊的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，它是基于FPGA或ASIC實現(xiàn)，它包括邊緣信息提取模塊、乒乓結構片外RAM、圓霍夫變換模塊、邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構和圓驗證模塊；
[0023]邊緣信息提取模塊，用于在接收到的數字圖像信息中提取輸入圖像的邊緣位圖信息；
[0024]乒乓結構片外RAM，用于存儲提取的邊緣位圖信息；
[0025]圓霍夫變換模塊，用于從乒乓結構片外RAM中從讀取邊緣位圖信息，并根據所述邊緣位圖信息、利用圓霍夫變換算法得出備選圓的位置及半徑信息；
[0026]邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構，用于存儲備選圓的位置、半徑和邊緣位圖信息；
[0027]圓驗證模塊，對得出的備選圓的位置及半徑信息進行驗證，并輸出最終檢測結果。
[0028]【具體實施方式】二:結合圖2、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構的進一步限定，邊緣信息提取模塊包括行緩存模塊和提取邊緣位圖及梯度方向的模塊；
[0029]行緩存模塊包括兩個FIFO存儲器和寄存器R1-R9，
[0030]接收到的數字圖像信息中的數據按從左到右、從上到下的順序依次存入行緩存模塊；
[0031]所述數字圖像信息中的每個象素點的紅色標志iS_red和紅色程度fK合并為一個字后同時存入第二 FIFO存儲器和寄存器R7中，寄存器R7、寄存器R8和寄存器R9依次串聯(lián)連接；
[0032]第二 FIFO存儲器的存儲數據輸出端同時與寄存器R4的存儲數據輸入端和第一FIFO存儲器的存儲數據輸入端連接；寄存器R4、寄存器R5和寄存器R6依次串聯(lián)連接；
[0033]第一 FIFO存儲器的存儲數據輸出端與寄存器Rl的存儲數據輸入端連接，寄存器R1、寄存器R2和寄存器R3依次串聯(lián)連接；
[0034]提取邊緣位圖及梯度方向的模塊包括與非門、與門、寄存器組、4個加法器、兩個減法器、直角坐標轉極坐標模塊和極坐標轉直角坐標模塊；所述寄存器組由27個寄存器組成；
[0035]寄存器R1-R9存儲的數據均分解為紅色標志is_red和紅色程度fK，IRx表示相應寄存器中存儲的紅色標志is_red，F(xiàn)Rx表示表示相應寄存器中存儲的紅色程度fK，x的取值范圍為[I, 9]；
[0036]IRl至IR9依次輸入至與非門，與非門輸出的數據和IR5同時輸入至與門，與門將輸入的兩個數據作“與”處理之后輸出給寄存器組，該寄存器組輸出的數據為邊緣標志is_edge ；
[0037]FRl、FR7與左移一位后的FR4輸入至第一加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器Rll，
[0038]FR3、FR9與左移一位后的FR6輸入至第二加法器，所述第二加法器輸出的數據存儲至寄存器R12，
[0039]FR7、FR9與左移一位后的FR8輸入至第三加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器R13，
[0040]FRl、FR3與左移一位后的FR2輸入至第四加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器R14，
[0041]寄存器Rll存儲的數據與寄存器R12存儲的數據輸入至第一減法器，第一減法器輸出梯度Gx，
[0042]寄存器R13存儲的數據與寄存器R14存儲的數據輸入至第二減法器，第二減法器輸出梯度Gy，
[0043]所述梯度Gx和梯度Gy輸入至直角坐標轉極坐標模塊，幅度值I和直角坐標轉極坐標模塊輸出的角坐標Θ輸入至極坐標轉直角坐標模塊，極坐標轉直角坐標模塊輸出輸入圖像的梯度方向sin Θ與COS0 ；
[0044]輸入圖像的邊緣標志is_edge為I的點的位置信息、梯度方向sin Θ與cos Θ均作為邊緣位圖信息存儲至兵兵結構片外RAM。
[0045]為了判斷一個點是否為邊緣點，并計算其梯度方向，需要獲得該點周圍8個點的信息，用兩個FIFO存儲器和一組寄存器實現(xiàn)，整幅圖像的數據按從左到右、從上到下的順序依次進入模塊。每個點的紅色標志is_red及紅色程度&被合并為一個字，一同存入FIFO存儲器中，如圖2所示。當輸入第N行數據時，第二 FIFO存儲器與第一 FIFO存儲器分別緩存第N-1行及第N-2行數據。緊隨FIFO之后為9個寄存器構成的3X3的寄存器組，用于緩存第N-2至第N行中相鄰三列的數據。在時鐘的驅動下，每個周期向寄存器組中推入一列(共3個，兩個來自FIFO寄存器，一個直接來自輸入)新數至存儲器R1、存儲器R4、存儲器R7，寄存器中原有數據向右移動一格，最右的存儲器R3、存儲器R6、存儲器R9中的數據被舍棄，從而實現(xiàn)一個3X3的窗口在圖像中從左到右、從上到下滑動的效果。
[0046]存儲器R1-R9重新分解為is_red和fK，分別用IRx及FRx表示。如圖4所示，F(xiàn)Rx經過兩級流水線得到兩個梯度Gx與Gy，而后Gx與Gy作為直角坐標系中一個點的橫縱坐標進入直角坐標轉極坐標模塊，得到方向梯度Θ。由于圓霍夫變換實際需要的信息為Θ的正弦與余弦值，故可將Θ與幅度I送入一個極坐標轉直角坐標模塊，從而直接得出sin0與 cos Θ。這里兩個坐標轉換模塊均由 CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer)算法實現(xiàn)。邊緣標志is_edge由IR1-1R9按圖3組合邏輯算出，并延遲23個時鐘周期以與sin Θ、cos Θ保持同步。最后，is_edge、sin θ、cos Θ被共同存儲至兵兵結構片外RAM。
[0047]【具體實施方式】三:結合圖5說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構的進一步限定，圓霍夫變換模塊包括邊緣信息讀取模塊、投票模塊、空塊表、記錄模塊、多個投票RAM和內部備選圓FIFO存儲器；
[0048]邊緣信息讀取模塊，用于讀取乒乓結構片外RAM存儲的邊緣位圖信息；
[0049]投票模塊，用于根據邊緣位圖信息采用局部化投票方法，統(tǒng)計每個圓的得票數；還用于監(jiān)控最新獲得投票的圓的得票數是否達到預設門限；
[0050]投票RAM，用于存儲相應圓的得票數；
[0051]記錄模塊，用于當最新獲得投票的圓的得票數達到預設門限，則將所述圓的信息進行記錄，所述圓為備選圓；
[0052]內部備選圓FIFO存儲器，用于存儲備選圓的半徑信息和位置信息；
[0053]空塊表，用于記錄不包含邊緣信息的塊。
[0054]本實施方式中的邊緣信息首先由邊緣信息讀取模塊從乒乓結構片外RAM中讀出，而后被發(fā)送至投票模塊。投票模塊統(tǒng)計每個圓的得票數并保存至投票RAM。在此過程中，投票模塊同時監(jiān)控最新獲得投票的圓，若其得票數剛好達到預設門限，則將其送入記錄模塊以保存至內部備選圓FIFO存儲器。這樣，在投票過程中即可找到所有備選圓，而不必在投票結束后進行整個參數空間的搜索。由于在投票過程中無法獲得備選圓的最終得票數，故記錄模塊在此階段只記錄備選圓的圓心坐標及半徑。在投票過程結束后，記錄模塊依次從內部備選圓FIFO存儲 器中讀出每個備選圓的圓心及半徑，從投票RAM中讀出其最終得票數，并一起輸出至邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構。
[0055]【具體實施方式】四:結合圖6、圖7和圖8說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】三所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構的進一步限定，投票模塊包括P個投票器和監(jiān)督備選圓模塊；P=rmax-rmin+l, rmax為備選圓設定的最大半徑,rmin為備選圓設定的最小半徑；P個投票器對應P個半徑r，r的取值為[rmin，rmax]內的整數；
[0056]投票器，用于根據相應的半徑r、邊緣位圖信息和公式
【權利要求】
1.圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征是在于，它是基于FPGA或ASIC實現(xiàn)，它包括邊緣信息提取模塊、乒乓結構片外RAM、圓霍夫變換模塊、邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構和圓驗證模塊； 邊緣信息提取模塊，用于在接收到的數字圖像信息中提取輸入圖像的邊緣位圖信息； 乒乓結構片外RAM，用于存儲提取的邊緣位圖信息； 圓霍夫變換模塊，用于從乒乓結構片外RAM中從讀取邊緣位圖信息，并根據所述邊緣位圖信息、利用圓霍夫變換算法得出備選圓的位置及半徑信息； 邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構，用于存儲備選圓的位置、半徑和邊緣位圖信息； 圓驗證模塊，對得出的備選圓的位置及半徑信息進行驗證，并輸出最終檢測結果。
2.根據權利要求1所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于， 邊緣信息提取模塊包括行緩存模塊和提取邊緣位圖及梯度方向的模塊； 行緩存模塊包括兩個FIFO存儲器和寄存器R1-R9， 接收到的數字圖像信息中的數據按從左到右、從上到下的順序依次存入行緩存模塊；所述數字圖像信息中的每個象素點的紅色標志is_red和紅色程度&合并為一個字后同時存入第二 FIFO存儲器和寄存器R7中，寄存器R7、寄存器R8和寄存器R9依次串聯(lián)連接； 第二 FIFO存儲器的存儲數據輸出端同時與寄存器R4的存儲數據輸入端和第一 FIFO存儲器的存儲數據輸入端連接；寄存器R4、寄存器R5和寄存器R6依次串聯(lián)連接； 第一FIFO存儲器的存儲數據輸出端與寄存器Rl的存儲數據輸入端連接，寄存器R1、寄存器R2和寄存器R3依次串聯(lián)連接；提取邊緣位圖及梯度方向的模塊包括與非門、與門、寄存器組、4個加法器、兩個減法器、直角坐標轉極坐標模塊和極坐標轉直角坐標模塊；所述寄存器組由27個寄存器組成；寄存器R1-R9存儲的數據均分解為紅色標志is_red和紅色程度fK，IRx表示相應寄存器中存儲的紅色標志is_red，F(xiàn)Rx表示表示相應寄存器中存儲的紅色程度fK，x的取值范圍為[I, 9]； IRl至IR9依次輸入至與非門，與非門輸出的數據和IR5同時輸入至與門，與門將輸入的兩個數據作“與”處理之后輸出給寄存器組，該寄存器組輸出的數據為邊緣標志is_edge ； FRl、FR7與左移一位后的FR4輸入至第一加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器R11， FR3、FR9與左移一位后的FR6輸入至第二加法器，所述第二加法器輸出的數據存儲至寄存器R12， FR7、FR9與左移一位后的FR8輸入至第三加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器R13， FRU FR3與左移一位后的FR2輸入至第四加法器，所述第一加法器輸出的數據存儲至寄存器R14， 寄存器Rll存儲的數據與寄存器R12存儲的數據輸入至第一減法器，第一減法器輸出梯度Gx，寄存器R13存儲的數據與寄存器R14存儲的數據輸入至第二減法器，第二減法器輸出梯度Gy，所述梯度Gx和梯度Gy輸入至直角坐標轉極坐標模塊，幅度值I和直角坐標轉極坐標模塊輸出的角坐標Θ輸入至極坐標轉直角坐標模塊，極坐標轉直角坐標模塊輸出輸入圖像的梯度方向sin Θ與cos Θ ； 輸入圖像的邊緣標志is_edge為I的點的位置信息、梯度方向sin Θ與cos Θ均作為邊緣位圖信息存儲至乒乓結構片外RAM。
3.根據權利要求1所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于，圓霍夫變換模塊包括邊緣信息讀取模塊、投票模塊、空塊表、記錄模塊、多個投票RAM和內部備選圓FIFO存儲器； 邊緣信息讀取模塊，用于讀取乒乓結構片外RAM存儲的邊緣位圖信息； 投票模塊，用于根據邊緣位圖信息采用局部化投票方法，統(tǒng)計每個圓的得票數；還用于監(jiān)控最新獲得投票的圓的得票數是否達到預設門限； 投票RAM，用于存儲相應圓的得票數； 記錄模塊，用于當最新獲得投票的圓的得票數達到預設門限，則將所述圓的信息進行記錄，所述圓為備選圓； 內部備選圓FIFO存儲器，用于存儲備選圓的半徑信息和位置信息； 空塊表，用于記錄不包含邊緣信息的塊。
4.根據權利要求3所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于，投票模塊包括P個投票器和監(jiān)督備選圓模塊；P=rmax-rmin+l, rmax為備選圓設定的最大半徑，rmin為備選圓設定的最小半徑；P個投票器對應P個半徑r, r的取值為[rmin, rmax]內的整數； 投票器，用于根據相應的半徑r、邊緣位圖信息和公
5.根據權利要求1所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于，圓驗證模塊包括最大票數搜索模塊和邊緣點計數模塊； 最大票數搜索模塊，用于搜索票數最高的備選圓，與上一個ROI的坐標相比，拋棄圓心距離小于7個像素且半徑差小于2的備選圓； 邊緣點計數模塊，用于統(tǒng)計票數最高的備選圓的整個圓周上有多少個點命中了存儲的邊緣位圖信息，若命中點的數量不小于所述圓周上總點數的一半，則所述備選圓作為ROI輸出。
6.根據權利要求5所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于，最大票數搜索模塊包括位置比較器和票數比較器； 位置比較器，用于依次讀取備選圓的U。，y。，r)，并與上一個ROI的坐標進行比較，若圓心距離小于7個像素且半徑差小于2，則拋棄該備選圓，若否，存儲至邊緣RAM及備選圓FIFO乒乓結構； 票數比較器，用于當前備選圓和此前票數最高的備選圓比較，輸出票數較高的備選圓。
7.根據權利要求5所述的圓霍夫變換的高速VLSI結構，其特征在于，邊緣點計數模塊包括8位計數器、極坐標轉直角坐標模塊、兩個加法器、命中計數器和判決模塊； 最大票數搜索模塊將票數最高的備選圓信息輸入至邊緣點計數模塊，票數最高的備選圓信息為(Xc，yc，r)； 8位計數器輸出的角度數據與半徑r輸入至極坐標轉直角坐標模塊，極坐標轉直角坐標模塊輸出的橫坐標偏移量Δ X與圓心橫坐標Xc輸入至第一加法器,極坐標轉直角坐標模塊輸出的縱坐標偏移量Ay與圓心縱坐標y。輸入至第二加法器，第一加法器、第二加法器輸出的數據和邊緣位圖信息輸入至命中計數器，命中計數器輸出的命中數量數據和數值128發(fā)送至判決模塊， 所述判決模塊將命中數量大于128的所述備選圓(Xc，yc，r)作為ROI輸出并發(fā)送給最大票數搜索模塊。
【文檔編號】G06T7/00GK103745481SQ201410039954
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權日:2014年1月27日
【發(fā)明者】王剛毅, 任廣輝, 吳芝路, 支毳鵬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學