基于FPGA的幀差法仿真實(shí)現(xiàn)

一、幀差法的原理及應(yīng)用

幀差法就是幀間差分法，幀差法是最為常用的行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)措施之一，原理即是在圖像序列鄰接兩幀或三幀間基于像素做差分運(yùn)算來(lái)獲取。率先，將鄰接幀圖像對(duì)應(yīng)像素值相減獲得差分圖像，然后對(duì)差分圖像二值化，在環(huán)境亮度改變不大的情形下，對(duì)應(yīng)像素值改變小于預(yù)先確定的閾值時(shí)，能夠感受這里為背景像素。假如圖像區(qū)域的像素值改變很大，能夠感受這是由于圖像中行動(dòng)物體引起的，將這些區(qū)域符號(hào)為前景像素，利用符號(hào)的像素區(qū)域能夠確定行動(dòng)目標(biāo)在圖像中的位置。由于鄰接兩幀間的工夫間隔極其短，用前一幀圖像作為目前幀的背景模型具有較好的實(shí)時(shí)性，其背景不聚集，且更新速度快、算法容易、計(jì)算量小。算法的不足在于對(duì)環(huán)境噪聲較為敏感，閾值的抉擇相當(dāng)關(guān)鍵，抉擇過(guò)低不足以壓抑圖像中的噪聲，過(guò)高則疏忽了圖像中有用的改變。對(duì)于比擬大的、顏色統(tǒng)一的行動(dòng)目標(biāo)，有可能在目標(biāo)內(nèi)部發(fā)生抽象，無(wú)法全面地提取行動(dòng)目標(biāo)。多數(shù)應(yīng)用于選擇十字路口監(jiān)控錄像作為實(shí)驗(yàn)材料，檢測(cè)過(guò)往車輛動(dòng)態(tài)，也能為后期機(jī)器識(shí)別打下基礎(chǔ)。

幀差法主要通過(guò)下面式子實(shí)現(xiàn)，其中 x1 和 x2 分別為當(dāng)前幀和上一幀同一位置坐標(biāo)的像素點(diǎn)灰度值，T 為預(yù)設(shè)的參考分割閾值，y 為最終輸出的二值結(jié)果

二、幀差分法實(shí)現(xiàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)框圖

2、模塊介紹

a、 imread_framel :此模塊用于讀取事先準(zhǔn)備好需要進(jìn)行幀差法的兩幀或多幀圖片。

b、 Vga_crt:此模塊用于產(chǎn)生后續(xù)模塊所需時(shí)序。

c、 Hvcount :此模塊用于對(duì)后續(xù)模塊進(jìn)行時(shí)序同步。

d、 Framel_diff :此模塊用于幀差法的實(shí)現(xiàn)。

e、 Imwrite_fra :此模塊用于讀取幀差之后的結(jié)果。

三、幀差法的FPGA仿真實(shí)現(xiàn)

幀差法的原理比較簡(jiǎn)單，就是實(shí)時(shí)圖像的相鄰兩幀或者三幀做差，FPGA的實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于大部分FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)（BRAM）不足以存取一幅完整圖像的數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要借助外部的SDRAM或者DDR等存儲(chǔ)。

幀差法仿真源碼展示：

1. /******************************************************

2. // Project Name:Frame_Difference

3. //

4. // Author:Lee

5. // 微信公眾號(hào)：FPGA開源工作室

6. *******************************************************/

7. `timescale 1ns / 1ps

8.

9. module Frame_Difference #(

10. parameter IW = 800,

11. parameter IH = 600,

12. parameter DW = 24

13. )(

14. input                      PixelClk,

15. input                      reset_n,

16. input    [DW-1:0]          i_rgb,

17. input                      i_hs,

18. input                      i_vs,

19. input                      i_de,

20. output   [DW-1:0]          o_rgb,

21. output                     o_hs,

22. output                     o_vs,

23. output                     o_de

24. );

25.

26.

27. reg                       we;

28. reg                       rd;

29. reg  [20:0]               waddr;//800*600

30. reg  [20:0]               raddr;

31. wire [DW-1:0]             dout;

32. reg [DW-1:0]              rgb_r;

33. reg [DW-1:0]              dout_r;

34. reg                       hs_r0;

35. reg                       vs_r0;

36. reg                       de_r0;

37.

38. reg                       hs_r1;

39. reg                       vs_r1;

40. reg                       de_r1;

41.

42. reg                       hs_r2;

43. reg                       vs_r2;

44. reg                       de_r2;

45.

46. assign o_hs = hs_r2;

47. assign o_vs = vs_r2;

48. assign o_de = de_r2;

49. assign o_rgb = dout_r;

50. always @(posedge PixelClk )begin

51. rgb_r <= i_rgb;

52. hs_r0  <= i_hs;

53. vs_r0  <= i_vs;

54. de_r0  <= i_de;

55.

56. hs_r1  <= hs_r0 ;

57. vs_r1  <= vs_r0 ;

58. de_r1  <= de_r0 ;

59.

60. hs_r2  <= hs_r1 ;

61. vs_r2  <= vs_r1 ;

62. de_r2  <= de_r1 ;

63. end

64. always @(posedge PixelClk or negedge reset_n)begin

65. if(de_r1)

66. //dout_r <= dout - rgb_r; //Frame Difference

67. dout_r <= rgb_r - dout; //Frame Difference

68. else

69. dout_r <= 0;

70. end

71.

72. always @(posedge PixelClk or negedge reset_n)begin

73. if(!reset_n) begin

74. rd <= 0;

75. we <= 0;

76. raddr <= 0;

77. waddr <= 0;

78. end

79. else if(i_vs == 0) begin

80. rd <= 0;

81. we <= 0;

82. raddr <= 0;

83. waddr <= 0;

84. end

85. else if(i_de) begin

86. rd <= 1;

87. raddr <= raddr + 1;

88. we <= 1;

89. waddr <= waddr + 1;

90. end

91. else begin

92. rd <= 0;

93. we <= 0;

94. raddr <= raddr;

95. waddr <= waddr;

96. end

97. end

98.

99. Frame_Ram#(

100. .IW(IW),

101. .IH(IH),

102. .DW(DW)

103. )U_Frame_Ram(

104. .clk(PixelClk),

105. .reset_n(reset_n),

106. .we(we),

107. .rd(rd),

108. .waddr(waddr),//1920*1080

109. .raddr(raddr),

110. .din(i_rgb),

111. .dout(dout)

112. );

113.

114. endmodule

115.

116.

117. module Frame_Ram#(

118. parameter IW = 800,

119. parameter IH = 600,

120. parameter DW = 24

121. )(

122. input                       clk,

123. input                       reset_n,

124. input                       we,

125. input                       rd,

126. input  [20:0]               waddr,//800*600

127. input  [20:0]               raddr,

128. input  [DW-1:0] din,

129. output [DW-1:0] dout

130. );

131.

132. //reg   [DW-1:0]   mem[0:IW*IH];

133. reg [DW-1:0]   mem[IW*IH:0];

134.

135. reg [DW-1:0]   rdata;

136. assign dout = rdata;

137.

138. integer n;

139. always @(posedge clk or negedge reset_n) begin

140. if(!reset_n) begin

141. for(n = 0; n //sim only

142. rdata <= 0;

143. end

144. else begin

145. if(rd) rdata <= mem[raddr]; else rdata <= 0;

146. if(we) mem[waddr] <= din;

147. end

148. end

149.

150. endmodule

代碼解釋：

幀差法代碼主要分為兩個(gè)模塊一個(gè)RAM用于存儲(chǔ)一幀圖像，Frame_Difference模塊用于實(shí)現(xiàn)兩幀之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)做差。

實(shí)驗(yàn)圖1

實(shí)驗(yàn)圖2

實(shí)驗(yàn)圖3

結(jié)果圖1

結(jié)果圖2

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)圖1為第一幀圖像，實(shí)驗(yàn)圖2為第二幀圖像，實(shí)驗(yàn)圖3為第三幀圖像，第二幀和第三幀做差如圖結(jié)果1所示，結(jié)果2為抓取結(jié)果1的位置。

在文章的末尾特別感謝網(wǎng)友遲茶枯對(duì)本文一二節(jié)內(nèi)容的貢獻(xiàn)。