一种图像连通域标记硬件实现算法制造技术

本发明专利技术涉及图像处理技术领域，尤其是一种图像连通域标记硬件实现算法，连通域标记算法硬件实现架构采取基于像素的方式进行连通域标记，等价表结构使用一维数组，计算架构包括初标记与等价表存储模块、等价表复制与更新模块、坐标记录与更新模块、相邻行标记存储与比较模块，本发明专利技术基于二值图像中连通域的特点，以图像行为周期对等价表进行复制、更新等操作，有效降低了处理延时，形成了一种基于FPGA的连通域标记高效计算架构。的连通域标记高效计算架构。的连通域标记高效计算架构。

【技术实现步骤摘要】
一种图像连通域标记硬件实现算法


[0001]本专利技术涉及图像处理
，具体领域为一种基于FPGA的图像连通域标记硬件实时处理算法。

技术介绍

[0002]在图像处理、目标检测、模式识别等领域，特征提取环节中是必不可少的处理步骤。因此，最常用于目标候选区域检测与提取的连通域标记算法得到了广泛的使用。相比于图像滤波与阈值分割等可以进行流水线处理的图像处理算法，连通域标记算法因其复杂度较高，往往需要耗费更高的硬件资源与处理时间。
[0003]FPGA是一种可编程逻辑器件，具有功耗低、成本低、开发灵活、处理速度快的优点，FPGA可为每个系统开发独立的硬件电路结构，因此兼有并行结构以及流水线处理的特点。
[0004]如何高效地实现连通域标记算法是满足实时性要求的关键，针对连通域标记实现的实时性难题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种图像连通域标记硬件实现算法，基于二值图像中连通域的特点，以图像行为周期对等价表进行复制、更新等操作，有效降低了处理延时，形成了一种基于FPGA的连通域标记高效计算架构。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种图像连通域标记硬件实现算法，连通域标记算法硬件实现架构采取基于像素的方式进行连通域标记，等价表结构使用一维数组，计算架构包括初标记与等价表存储模块、等价表复制与更新模块、坐标记录与更新模块、相邻行标记存储与比较模块，
[0007]1)初标记与等价表存储模块：a、使用滤波模板对输入的二值图像进行初标记滑窗处理，对每一个像素值为“1”的像素赋予标记值，并将检测到的等价标记存储在等价表当中；b、将灰度值为“1”的像素坐标进行输出；c、检测并输出滑窗过程中相邻两行出现的标记；
[0008]2)等价表复制与更新模块：以行为周期复制最新的等价表E1，并在图像的下一个行周期内进行E1的遍历更新；
[0009]3)相邻行标记存储与比较模块：a、将标记过程中出现过的相邻两行标记进行存储得到标记集合；b、获取更新后的E1对相邻行标记集合进行更新；c、通过比较更新后的标记集合，获取相邻两行中上一行的可输出区域的标记集合{L
O
}；
[0010]4)坐标记录与更新模块：a、将标记过程中像素值为“1”的像素坐标进行存储；b、根据更新后的E1对坐标表进行更新；c、根据可输出标记{L
O
}，取出对应连通域的坐标和以及像素数量，计算并输出连通域的质心坐标与半径。
[0011]在其中一些实施例中，计算流程方式为：
[0012]1)第1个行周期：共需完成4个操作，第1个是进行第N
‑
1行图像数据的标记，将等价
信息实时记录到等价表当中；第2个是检测出第N
‑
2行以及第N
‑
1行出现过的标记{L
N
‑2}以及{L
N
‑1}；第3个是在第N
‑
1行标记的同时将等价表复制出一份记为E1；第4个是在第N
‑
1行标记的同时将坐标表复制出一份记为C1；
[0013]2)第2个行周期：进行第N行数据标记，同时共需完成3个操作，第1个是对等价表E1进行遍历更新；第2个是借助更新过的E1，将存储的第N
‑
2、N
‑
1行标记集合{L
N
‑2}以及{L
N
‑1}进行更新得到{L
N
‑2}'以及{L
N
‑2}'；第3个是借助更新过的E1，将坐标表C1进行更新得到C1'；
[0014]3)第3个行周期：进行第N+1行数据标记，同时对标记集合{L
N
‑2}'以及{L
N
‑1}'进行标记比较，得到{L
N
‑2}'中可输出的连通域标记集合{L
O
}；
[0015]4)第4个行周期：进行第N+2行数据标记，同时计算并输出标记集合{L
O
}当中的连通域质心坐标与半径；
[0016]从上述操作可知，图像在进行第N+2行像素标记时，可以输出区域延伸停止于第N
‑
2行的连通域，从连通域的延伸结束行算起，输出延时最多为4个行周期。
[0017]在其中一些实施例中，初标记与等价表存储模块中像素标记以及等价表存储的流程为：
[0018]stage 1：标记上下文建模，使用预设的窗口进行标记上下文建模；
[0019]stage2：逐像素标记，根据标记使用的预设窗口大小，采用对应数量个FIFO用于缓存行数据，使用对应数量个寄存器缓存滤波窗口中的数据；
[0020]stage3：等价关系上下文建模，为了简化等价关系判断，使用2
×
2窗口。
[0021]stage4.1：等价关系判断与存储，针对建模中需要进行标记的像素判断赋值的时钟周期，也即数据流流过stage 1的预设窗口后，再延迟预设窗口同列数量个时钟周期便可以直接流入stage3中示出的窗口进行滑窗，因此并不需要FIFO进行数据缓存，只需要4个寄存器组成滑窗窗口；在进行等价关系判断时，两两取出2
×
2窗口当中的数据，如果像素值相同都为1，但是标记值不同，说明存在具有等价关系的标记，将这一对标记写入等价表当中；
[0022]stage4.2：检测相邻两行出现的标记，同样使用stage3中示出的窗口进行滑窗，当检测到{a,b}＝{0,1}或者{d,e}＝{0,1}时，暂存b，e的标记值，直到标记值在同一行内的延伸消失，在判断相邻两行出现过的标记时，经分析发现并不需要存储所有两行当中出现过的标记：
[0023]第N
‑
1行当中与第N行发生连通关系的标记如b不需要存储，这是因为标记b代表的区域仍在第N行延伸；第N行当中未与第N
‑
1行发生连通关系的标记如c也不需存储，因为标记c为新建标记，在局部上不与第N
‑
1行连通。因此，只需要存储第N
‑
1行中未与第N行连通的标记如a，以及第N行当中与第N
‑
1行连通的标记如d。通过此种标记存储方式可以减小后续相邻行标记比较的计算量。
[0024]在其中一些实施例中，等价表复制与更新模块：
[0025]由于等价表复制与更新均以行为周期进行，为了构建等价表复制、更新操作的流水线处理结构，使用“乒乓操作”，利用两个RAM交替进行等价表的复制以及更新；
[0026]flag＝1：当前标记处理行的行计数为奇数，RAM1用于存储复制的等价表数据，RAM2进行等价表更新；
[0027]flag＝0：行计数为偶数，RAM1进行等价表更新，RAM2用于存储复制来的等价表数据；
[0028]以上述交替、无缝式切换的方式进行等价表复制与更新，实现等价表更新的流水线处理，模块处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像连通域标记硬件实现算法，其特征在于：连通域标记算法硬件实现架构采取基于像素的方式进行连通域标记，等价表结构使用一维数组，计算架构包括初标记与等价表存储模块、等价表复制与更新模块、坐标记录与更新模块、相邻行标记存储与比较模块，1)初标记与等价表存储模块：a、使用滤波模板对输入的二值图像进行初标记滑窗处理，对每一个像素值为“1”的像素赋予标记值，并将检测到的等价标记存储在等价表当中；b、将灰度值为“1”的像素坐标进行输出；c、检测并输出滑窗过程中相邻两行出现的标记；2)等价表复制与更新模块：以行为周期复制最新的等价表E1，并在图像的下一个行周期内进行E1的遍历更新；3)相邻行标记存储与比较模块：a、将标记过程中出现过的相邻两行标记进行存储得到标记集合；b、获取更新后的E1对相邻行标记集合进行更新；c、通过比较更新后的标记集合，获取相邻两行中上一行的可输出区域的标记集合{L
O
}；4)坐标记录与更新模块：a、将标记过程中像素值为“1”的像素坐标进行存储；b、根据更新后的E1对坐标表进行更新；c、根据可输出标记{L
O
}，取出对应连通域的坐标和以及像素数量，计算并输出连通域的质心坐标与半径。2.根据权利要求1所述的一种图像连通域标记硬件实现算法，其特征在于：计算流程方式为：1)第1个行周期：共需完成4个操作，第1个是进行第N
‑
1行图像数据的标记，将等价信息实时记录到等价表当中；第2个是检测出第N
‑
2行以及第N
‑
1行出现过的标记{L
N
‑2}以及{L
N
‑1}；第3个是在第N
‑
1行标记的同时将等价表复制出一份记为E1；第4个是在第N
‑
1行标记的同时将坐标表复制出一份记为C1；2)第2个行周期：进行第N行数据标记，同时共需完成3个操作，第1个是对等价表E1进行遍历更新；第2个是借助更新过的E1，将存储的第N
‑
2、N
‑
1行标记集合{L
N
‑2}以及{L
N
‑1}进行更新得到{L
N
‑2}'以及{L
N
‑2}'；第3个是借助更新过的E1，将坐标表C1进行更新得到C1'；3)第3个行周期：进行第N+1行数据标记，同时对标记集合{L
N
‑2}'以及{L
N
‑1}'进行标记比较，得到{L
N
‑2}'中可输出的连通域标记集合{L
O
}；4)第4个行周期：进行第N+2行数据标记，同时计算并输出标记集合{L
O
}当中的连通域质心坐标与半径；从上述操作可知，图像在进行第N+2行像素标记时，可以输出区域延伸停止于第N
‑
2行的连通域，从连通域的延伸结束行算起，输出延时最多为4个行周期。3.根据权利要求1或2所述的一种图像连通域标记硬件实现算法，其特征在于：初标记与等价表存储模块中像素标记以及等价表存储的流程为：stage1：标记上下文建模，使用预设的窗口进行标记上下文建模；stage2：逐像素标记，根据标记使用的预设窗口大小，采用对应数量个FIFO用于缓存行数据，使用对应数量个寄存器缓存滤波窗口中的数据；stage3：等价关系上下文建模，为了简化等价关系判断，使用2
×
2窗口。stage4.1：等价关系判断与存储，针对建模中需要进行标记的像素判断赋值的时钟周期，也即数据流流过stage 1的预设窗口后，再延迟预设窗口同列数量个时钟周期便可以直接流入stage3中示出的窗口进行滑窗，因此并不需要FIFO进行数据缓存，只需要4个寄存器
组成滑窗窗口；在进行等价关系判断时，两两取出2
×
2窗口当中的数据，如果像素值相同都为1，但是标记值不同，说明存在具有等价关系的标记，将这一对标记写入等价表当中；stage4.2：检测相邻两行出现的标记，同样使用stage3中示出的窗口进行滑窗，当检测到{a,b}＝{0,1}或者{d,e}＝{0,1}时，暂存b，e的标记值，直到标记值在同一行内的延伸消失，在判断相邻两行出现过的标记时，经分析发现并不需要存储所有两行当中出现过的标记：第N
‑
1行当中与第N行发生连通关系的标记如b不需要存储，这是因为标记b代表的区域仍在第N行延伸；第N行当中未与第N
‑
1行发生连通关系的标记如c也不需存储，因为标记c为新建标记，在局部上不与第N
‑
1行连通。因此，只需要存储第N
‑
1行中未与第N行连通的标记如a，以及第N行当中与第N
‑
1行连通的标记如d。通过此种标记存储方式可以减小后续相邻行标记比较的计算量。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仁鹏，徐智旺，李奇，刘天宇，艾维，
申请(专利权)人：武汉华中天易星惯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：