一种基于FPGA的田间视频图像实时分割系统及方法技术方案

本发明专利技术属于田间作物生长信息处理技术领域，公开了一种基于FPGA的田间视频图像实时分割系统及方法，对图像分割算法的结构进行适用于硬件环境的更改，加入数据及流水线指令，使图像分割算法适应于实时图像分割的应用场景；通过对图像采集显示系统的各个模块进行设计，搭建基于摄像头的视频通路；结合田间植株超绿特征提取、Canny边缘检测算法、中值滤波和阈值分割及FPGA硬件开发的流程，实现田间视频图像分割。本发明专利技术的拥有丰富的寄存器资源和流水线结构，可实时处理大量的图像数据，极大程度的提高了图像处理的速度；本发明专利技术所使用的开发板成本更低，体积小，功耗低，更适合复杂的田间工作环境。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的田间视频图像实时分割系统及方法
本专利技术属于田间作物生长信息处理
，尤其涉及一种基于FPGA的田间视频图像实时分割系统及方法。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：当前，计算机技术已被应用于生活中的各个领域。农业信息化是二十一世纪全球性农业发展潮流，是开展农业现代化的基本保障。在农业领域，利用图像处理和机器视觉技术对农田作物图像进行识别、分析及处理，已经变得越来越流行。图像分割是图像处理过程中关键一步，对后续图像的处理及分析有指导性作用。所以，视频图像的边缘检测一直是数字图像处理领域的经典研究课题之一。数字图像已经被广泛应用于诸多领域，如航空航天、生物医学、自动工业化及军事公安领域等。在对视频图像进行分割时，相应的视频图像处理算法对处理速度和时间的要求较高。由于CPU拥有强大的处理能力，传统的方法大多使用计算机软件来实现图像的分割，在大多数情况下，软件系统能满足基本的应用需求。但随着应用需求的增加及应用环境变得复杂，导致对算法的处理时间、处理速度及功耗的要求也越来越高。随着视频图像的数据量不断增大，视频图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，所述基于FPGA的田间视频图像实时分割方法包括：/n第一步，对软件条件下图像分割算法结合相关理论知识，对图像分割算法的结构进行适用于硬件环境的更改，加入数据及流水线指令，使图像分割算法适应于实时图像分割的应用场景；/n第二步，通过对图像采集显示系统的各个模块进行设计，搭建基于摄像头的视频通路；同时，对图像分割算法进行相应的优化，将图像分割算法的工程打包成IP核，并将该IP和连入整个视频通路，实现图像的实时分割显示；/n第三步，运用Verilog和C++程序设计语言，结合田间植株超绿特征提取、Canny边缘检测算法、中值滤波和阈值分割及...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，所述基于FPGA的田间视频图像实时分割方法包括：
第一步，对软件条件下图像分割算法结合相关理论知识，对图像分割算法的结构进行适用于硬件环境的更改，加入数据及流水线指令，使图像分割算法适应于实时图像分割的应用场景；
第二步，通过对图像采集显示系统的各个模块进行设计，搭建基于摄像头的视频通路；同时，对图像分割算法进行相应的优化，将图像分割算法的工程打包成IP核，并将该IP和连入整个视频通路，实现图像的实时分割显示；
第三步，运用Verilog和C++程序设计语言，结合田间植株超绿特征提取、Canny边缘检测算法、中值滤波和阈值分割及FPGA硬件开发的流程，设计并实现基于FPGA的田间视频图像分割系统。


2.如权利要求1所述的基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，第一步，对图像分割算法的结构进行适用于硬件环境的更改中，包括内存结构的改进，所述内存结构的改进方法包括：采用行缓冲区和内存窗口对内存中的图像数据进行读写，行缓冲区用于存储完整的图像行，内存窗口对图像矩阵进行运算操作；
行缓冲区不断存储新的图像数据，窗口向右移动，窗口中的图像像素点向左移动，以新的图像数据来更新窗口；
缓冲区中没有图像数据，整个行缓冲区从缓冲区的起始地址开始缓冲数据，直到第一行数据全部写入行缓冲区中；当第一行数据缓冲完毕后，第一行第一列的图像数据会向上移动，直到最后一行全部缓冲完毕，最右边一列的像素自行缓冲区的当前列及新输入的图像像素点数据；重复循环，行缓冲区保留三行图像数据，直至将整张图片缓冲完毕；
当行缓冲区的被填满后，将行缓冲区内的图像数据写入窗口缓冲区中，
行缓冲区图像数据缓冲完毕后，将被复制到窗口缓冲区，随着窗口向右移动，新的图像数据会填充窗口缓冲区，窗口缓冲区是从左到右，从上到下进行移动的，直至将整个图像数据缓冲完毕。


3.如权利要求1所述的基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，第一步，加入数据及流水线指令，使图像分割算法适应于实时图像分割的应用场景中，包括流水线优化，通过指令#pragmaHLSPIPELINEII＝1进行流水线优化；所述流水线指令使用循环启动间隔因子定义循环体启动之间的时钟周期数。


4.如权利要求1所述的基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，第一步，加入数据及流水线指令，使图像分割算法适应于实时图像分割的应用场景中，进一步包括数组拆分优化，
将Canny边缘检测、中值滤波及OTSU阈值分割中的部分数组结构使用行缓冲数组拆分成位宽更小的数组，数组被划分为较小的数组或单独的元素后，生成的RTL电路中，包含有多个小内存或寄存器。


5.如权利要求1所述的基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，第二步中，视频通路的搭建方法包括：
首先，将图像传感器采集IP核设计完成后，与VTCIP核、VID_INIP核、VDMAIP核VID_OUTIP核、rgb2dviIP核连接，进行时序约束和引脚约束后，对整个工程进行综合和执行后，生成比特流文件；
然后，将整个工程导出到SDK；在SDK中对PS端相应的寄存器进行读写操作编程；
最后，使用J-Link将比特流文件下载到FPGA板中，搭建整个视频通路的硬件环境，并将软件程序下载到FPGA板上。


6.如权利要求1所述的基于FPGA的田间视频图像实时分割方法，其特征在于，第三步中，超绿特征提取的方法包括：
首先将田间作物图像分为R、G、B三通道；
然后使用加法器计算绿色通道二倍的绿度值；将加法器的输出与红色通道的红色灰度值作为输入连接到减法器上做减法；
再将减法器的输出与蓝色通道的蓝色灰度值作为输入连接到另外一个减法器上求差；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志斌，许冰，斯勤夫，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：内蒙;15