專利名稱：基于fpga的逆透視變換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的逆透視變換圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，屬于信號(hào)處理技 術(shù)、控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通檢測(cè)、飛行制導(dǎo)、模式識(shí)別等眾多領(lǐng)域，這其 中，逆投影變換Qnverse Perspective Mapping Algorithm)作為對(duì)圖像預(yù)處理的一種算 法，在高速公路車道線檢測(cè)，無人機(jī)跑道識(shí)別等方面具有廣泛的應(yīng)用。然而對(duì)采集到的數(shù)字 圖像預(yù)先進(jìn)行逆透視變換增加了運(yùn)算開銷，從而會(huì)在某種程度上降低系統(tǒng)對(duì)圖像的處理速 度，而在有些對(duì)實(shí)時(shí)性有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)合，處理的速度則是至關(guān)重要的。同時(shí)，實(shí)際的 應(yīng)用領(lǐng)域不管是在機(jī)載或者車載的環(huán)境都需要檢測(cè)設(shè)備所占用的空間和重量要盡可能的 小，因此要充分利用該預(yù)處理算法的優(yōu)點(diǎn)，必須選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式。目前，傳統(tǒng)的IPM算 法實(shí)現(xiàn)方式，有以下兩種①基于車載或者機(jī)載計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，該方式以車載或機(jī)載計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)系 統(tǒng)的處理核心來進(jìn)行逆透視變換，由于車載或機(jī)載計(jì)算機(jī)的處理速度較快，這種實(shí)現(xiàn)方式 可以在一定程度上滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，但是這種實(shí)現(xiàn)方式不可避免的會(huì)使車載或航空 電子設(shè)備的體積變的十分龐大，成本也相對(duì)過高；②基于DSP+FPGA的實(shí)現(xiàn)方式，該方式以FPGA作為圖像采集的邏輯控制單元，DSP 作為視頻圖像的處理核心，F(xiàn)PGA將采集的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)器中，DSP從RAM中 讀取圖像并進(jìn)行逆透視變換。這種實(shí)現(xiàn)方式便攜性好，可靠性高，但是由于圖像處理需要的 超大循環(huán)運(yùn)算量以及DSP處理器本身的速度限制，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)圖像處理有實(shí)時(shí)性要求時(shí)這種 方式往往顯得力不從心；而且對(duì)于像自動(dòng)駕駛、自主著陸控制等應(yīng)用中，DSP除了圖像處理 外還要進(jìn)行姿態(tài)校正、傳感器信息采集等工作，這些都嚴(yán)重限制了其處理效率。隨著大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的高速發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入了 “片上可編程系統(tǒng) (SOPC)，，的新紀(jì)元，這其中特別引人注目的是所謂FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的開拓，推動(dòng)了數(shù) 字系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。FPGA芯片大規(guī)模、高集成度、高可靠性以及硬件實(shí)現(xiàn)高度 并行性的優(yōu)點(diǎn)，使其成為復(fù)雜系統(tǒng)小型化的理想平臺(tái)，而基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)也 已成為新的研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)車載或者機(jī)載實(shí)時(shí)圖像處理方案設(shè)備體積大、處理速度慢的各種弊 端，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的IPM算法實(shí)現(xiàn)方式，它利用FPGA芯片具有硬件邏輯處理 速度快的特點(diǎn)，利用其內(nèi)部LE單元搭建出實(shí)現(xiàn)IPM算法的邏輯電路，以硬件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì) 圖像的逆透視變換，得到無畸的二維鳥瞰圖像，方便后續(xù)的車道檢測(cè)特征提取等操作，其突 出的優(yōu)點(diǎn)是將該圖像處理算法硬件化，不需要工控機(jī)或DSP等核心處理單元，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性 能好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案基于FPGA的逆投影變換實(shí)現(xiàn)方法，其 特點(diǎn)是(a)以FPGA芯片為核心實(shí)現(xiàn)了一種適合機(jī)載或車載環(huán)境的嵌入式圖像處理模塊， 它利用FPGA芯片內(nèi)部門陣列，搭建出實(shí)現(xiàn)IPM算法的邏輯電路，將該圖像處理算法硬件化， 大大減少圖像處理模塊所占用的空間和所耗費(fèi)的成本；(b)利用外部傳感器實(shí)時(shí)獲取攝像機(jī)架設(shè)高度h及光軸與地面傾角θ作為算法的 輸入?yún)?shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的無偏校正；(C)根據(jù)從圖像采集模塊獲取的像素值及地址，將其轉(zhuǎn)換為變換后的IPM圖像的 二維下標(biāo)，并通過以下公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的逆透視變換方法，其特征在于以FPGA芯片為核心實(shí)現(xiàn)了一種適 合機(jī)載或車載環(huán)境的嵌入式圖像處理模塊，它利用FPGA芯片內(nèi)部門陣列，搭建出實(shí)現(xiàn)IPM 算法的邏輯電路，將該圖像處理算法硬件化，大大減少圖像處理模塊所占用的空間和所耗 費(fèi)的成本；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的逆透視變換(IPM)方法，其特征在于利用外部 傳感器實(shí)時(shí)獲取攝像機(jī)架設(shè)高度h及光軸與地面傾角θ作為算法的輸入?yún)?shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖 像的無偏校正；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的逆透視變換(IPM)方法，其特征在于包括以下步驟(a)根據(jù)從圖像采集模塊獲取的像素值及地址，將其轉(zhuǎn)換為變換后的IPM圖像的二維 下標(biāo)，并通過以下公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換2α2αx-hx ctg(-u-α+ θ)χ sin(-ν-α + γ) + 及少-1尺-1y = hx ctg( ^a u-α+ θ)χ cos( ^a v-a + r) + l Ry-IRx-Iz = 0式中，U，V為原圖像像素的行列下標(biāo)；X，y，Z為變換后圖像的三維坐標(biāo)；h為攝像頭安 裝位置距地面的高度；其中，三角函數(shù)通過基于FPGA的查找表方法實(shí)現(xiàn)，以1度為精度，將 0到90度的角度正弦值存入FPGA芯片內(nèi)部ROM區(qū)，以角度大小進(jìn)行尋址來求取正弦值，對(duì) 于負(fù)的角度將查找到的結(jié)果算術(shù)取反；對(duì)于余弦按照角度的余角進(jìn)行查表；除法器通過迭 代移位減法來實(shí)現(xiàn)；(b)利用按照步驟(a)計(jì)算的像素行列下標(biāo)，計(jì)算出該像素對(duì)應(yīng)的一維地址，接著將該 地址與上一像素對(duì)應(yīng)的地址做差，若差不為0，則將其間的空隙用該像素值進(jìn)行填充，以避 免產(chǎn)生像素空白產(chǎn)生，并將對(duì)應(yīng)像素值寫入FPGA外擴(kuò)RAM中；(c)按照步驟(a)(b)處理完畢一幀圖像，將處理后的圖像通過FPGA接口向外發(fā)送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的逆透視變換圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，屬于信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)，是以FPGA芯片作為數(shù)字圖像的處理單元，利用其硬件邏輯處理速度快的特點(diǎn)，通過芯片內(nèi)部LE單元搭建出實(shí)現(xiàn)IPM算法的邏輯電路，以硬件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的逆透視變換，得到無畸的二維鳥瞰圖像，方便后續(xù)的車道檢測(cè)特征提取等操作，其突出的優(yōu)點(diǎn)是將該圖像處理算法硬件化，不需要工控機(jī)或DSP等核心處理單元，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102044053SQ20091021841
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者史忠科, 王闖, 賀瑩 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司