一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法，包括可編程邏輯器件、信號處理器及直方圖統(tǒng)計器，可編程邏輯器件用于生成控制數(shù)字信號處理器中斷信號，根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的行灰度平均值、黑白目標(biāo)閾值，對實時視頻數(shù)據(jù)逐行背景抑制、黑白目標(biāo)分割后輸出二值目標(biāo)；數(shù)字信號處理器，根據(jù)中斷信號在行掃描周期中讀取視頻灰度數(shù)據(jù)；計算行灰度平均值；從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)、計算黑白目標(biāo)的閾值；直方圖統(tǒng)計器按照實時視頻掃描格式以像素時鐘速度對背景抑制后實時視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。本發(fā)明可實現(xiàn)對目標(biāo)動態(tài)變化的二值化自適應(yīng)分割，使被分割出的目標(biāo)形狀特征完整性更好。
【專利說明】
一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在實際應(yīng)用中，人們需要從特定的場景中獲取感興趣的目標(biāo)圖像，以便對感興趣的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視、跟蹤。一般情況下為了使觀察的目標(biāo)清晰，常采用多比特灰度的數(shù)字圖像，以保證目標(biāo)成像細(xì)節(jié)更清晰，便于識別目標(biāo)。直接在多比特灰度級的數(shù)字圖像中提取感興趣的目標(biāo)圖像特征計算量很大，實時性差。為了減少提取目標(biāo)圖像特征的計算量，常常將數(shù)字圖像先進(jìn)行二值化處理，然后再在二值化后的圖像中提取目標(biāo)特征。因此，多比特灰度圖像二值化是圖像預(yù)處理的一項重要技術(shù)。
[0003]圖像二值化就是將多比特灰度數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為I比特灰度的數(shù)字圖像，即圖像的灰度幅度只有“O”和“I”兩個數(shù)字，其中感興趣目標(biāo)圖像部分為“I”，不感興趣的圖像部分為“O”。
[0004]在實際使用中，目標(biāo)分割實現(xiàn)的硬件平臺主要有計算機(jī)平臺和專用硬件平臺，具體使用方案如下:
[0005]計算機(jī)平臺方案
[0006]該方案為非實時或?qū)崟r性不高的通用硬件平臺方案，主要是在計算機(jī)上對各種分割算法進(jìn)行仿真分析，對比各種分割算法對某一種特定數(shù)字圖像的分割效果，以便對各類算法進(jìn)行比對、評估。此方法常用于算法研究和數(shù)據(jù)分析。計算機(jī)處理方案的步驟為:
[0007]a.利用視頻采集卡采集一幅或一個序列的視頻圖像，生成8_b it的數(shù)字視頻圖像，形成序列圖片；
[0008]b.選用輪廓分割、閾值分割等算法對每一幅序列圖片逐一進(jìn)行分割處理；
[0009]c.輸出二值化的序列圖片用于后續(xù)圖像運(yùn)算。
[0010]該方法的特點(diǎn)是可以使用多種分割算法進(jìn)行分割處理，算法靈活，但是，實時處理速度慢。如果是邊采圖像邊處理，雖然是實時的，但處理時間一般在10ms以上。如果圖像采集完成后再逐幀處理，則為后臺處理，不具備實時性，即不受處理時間限制。
[0011]專用硬件平臺方案
[0012]通過設(shè)計專用硬件平臺，實現(xiàn)某一種固定目標(biāo)分割算法。專用硬件平臺方案主要應(yīng)用于實時性要求高的系統(tǒng)。圖像來源是多比特(一般為8_b it)的數(shù)字圖像信號，實時存入一個存儲器中(幀存)，存儲的尺寸為整幅圖或一個區(qū)域的圖像。目標(biāo)分割主要是通過DSP(Digital Signal Processor)芯片從幀存中將圖像數(shù)據(jù)讀入DSP芯片的內(nèi)部RAM(RandomAccess Memory)中，DSP計算目標(biāo)灰度分布直方圖，并計算閾值；用閾值在幀存的圖像中進(jìn)行比較(分割)，像素灰度高于閾值的置“I”，低于閾值的置“O”，從而形成目標(biāo)二值化圖像，存于DSP片內(nèi)RAM或外部RAM中。這就是說直方圖統(tǒng)計、閾值計算和目標(biāo)分割都是在DSP中完成，如圖1所示。由于目標(biāo)灰度直方圖統(tǒng)計、閾值計算和目標(biāo)分割都是由DSP專用芯片完成，因此，DSP專用芯片需要對幀存的數(shù)字圖像進(jìn)行兩次幀處理，一次是進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，另一次是目標(biāo)分割。一幀圖像分割所需要的時間為幀存時間+兩次幀處理時間+閾值計算時間，共計需要一幀半到兩幀的時間。例如幀周期為20ms，則需要30ms?40ms的時間，如果幀周期為40ms，則需要約60ms?80ms時間。此外，當(dāng)圖像分辨率提高(像素數(shù)增加)會導(dǎo)致幀處理時間增加，從而使二值化分割處理時間增加。為了滿足實時性要求，在一個幀周期內(nèi)完成，必須減小圖像處理區(qū)域，直至滿足實時性要求為止。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)問題而提供一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0015]一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置，包括:
[0016]可編程邏輯器件，用于對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號以及根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像；
[0017]數(shù)字信號處理器，與可編程邏輯器件相連接，用于完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置，根據(jù)可編程邏輯器件提供的中斷信號，執(zhí)行:
[0018]當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)；
[0019]當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制；
[0020]當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)閾值，將計算出的黑白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于對逐行背景抑制后視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割；
[0021]直方圖統(tǒng)計器，與可編程邏輯器件及數(shù)字信號處理器器相連接，用于在可編程邏輯器件控制下，按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。
[0022]所述可編程邏輯器件包括:
[0023]背景抑制模塊，包括第一8位鎖存器、第二 8位鎖存器以及減法器，所述第一 8位鎖存器用于鎖存輸入的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，第二 8位鎖存器用于鎖存由數(shù)字信號處理器通過數(shù)據(jù)總線輸入的行灰度平均值數(shù)據(jù)，減法器用于將第一 8位鎖存器中的圖像數(shù)據(jù)與第二 8位鎖存器中的行灰度平均值數(shù)據(jù)相減，形成背景抑制后的數(shù)據(jù)輸出。
[0024]所述可編程邏輯器件包括:
[0025]目標(biāo)分割模塊，包括第一9位鎖存器、第二9位鎖存器、第三9位鎖存器以及第一比較器、第二比較器;其中，第一9位鎖存器用于將背景抑制后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，第二9位鎖存器與第三9位鎖存器3分別用于鎖存數(shù)字信號處理器輸出的黑目標(biāo)閾值和白目標(biāo)閾值，第一比較器用于將小于黑目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的黑目標(biāo)，第二比較器用于將大于白目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的白目標(biāo)。
[0026]所述可編程邏輯器件包括:
[0027]目標(biāo)選擇輸出模塊，用于將分割出的黑白目標(biāo)通過目標(biāo)極性選擇控制，將黑目標(biāo)與白目標(biāo)選擇輸出，并最終形成二值化目標(biāo)輸出。
[0028]所述目標(biāo)選擇輸出模塊包括:
[0029]雙D觸發(fā)器以及與雙D觸發(fā)器連接的或門，雙D觸發(fā)器用于將黑目標(biāo)或白目標(biāo)進(jìn)行選擇輸出，通過或門形成二值化目標(biāo)。
[0030]所述目標(biāo)選擇輸出模塊包括:
[0031]目標(biāo)極性選擇控制器，包括一個D觸發(fā)器及兩個與門，用于根據(jù)通過非門從外部輸入的區(qū)域選通信號，通過兩個與門鎖存輸出極性互反的黑目標(biāo)信號和白目標(biāo)信號至所述雙D觸發(fā)器。
[0032]所述可編程邏輯器件包括:
[0033]中斷信號生成模塊，包括4位的二進(jìn)制計數(shù)器以及連接所述4位的二進(jìn)制計數(shù)器的邏輯組合電路，用于完成16分頻計數(shù)，與行消隱HB信號通過邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合形成第一中斷信號輸出；將行消隱HB與場消隱VB信號邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合后形成第二中斷信號輸出;場同步信號VS直接用于第三中斷信號輸出。
[0034]所述黑白目標(biāo)的閾值的計算采用如下公式:
[0035]Τ||=Ρ||+α.Pm
[0036]T白=P白_α.P白
[0037]式中，Pii為黑目標(biāo)灰度峰值，為最小非零的灰度值;Pe為白目標(biāo)灰度峰值，為最大灰度值;Tii為黑目標(biāo)閾值，T自為白目標(biāo)閾值，α為比例系數(shù)。
[0038]所述可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片，所述數(shù)字信號處理器采用DSP處理器，所述直方圖統(tǒng)計器采用直方圖統(tǒng)計專用芯片。
[0039]本發(fā)明的目的還在于提供一種圖像二值化目標(biāo)分割方法，包括以下步驟:
[0040]在通過數(shù)字信號處理器完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置后，通過可編程邏輯器件對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號給數(shù)字信號處理器；
[0041 ]數(shù)字信號處理器根據(jù)可編程邏輯器件提供的三路中斷信號，分別執(zhí)行:
[0042]當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)；
[0043]當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制；
[0044]當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)閾值，將計算出的黑白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于對逐行背景抑制后視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割；
[0045]其中，直方圖統(tǒng)計器按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，供數(shù)字信號處理器讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)；
[0046]可編程邏輯器件根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像。
[0047]本發(fā)明圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法，可以實現(xiàn)對目標(biāo)動態(tài)變化的二值化自適應(yīng)分割，使被分割出的目標(biāo)形狀特征完整性更好，是一種實時動態(tài)二值化分割裝置，為成像跟蹤領(lǐng)域的目標(biāo)識別提供了一種自適應(yīng)能力強(qiáng)、實時性好的圖像預(yù)處理裝置及方法。
【附圖說明】
[0048]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中專用硬件平臺的二值化目標(biāo)分割原理示意圖；
[0049]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置的原理圖；
[0050]圖3為本發(fā)明實施例提供的直方圖統(tǒng)計芯片的電路圖；
[0051 ]圖4為本發(fā)明的數(shù)字信號處理器的工作流程圖；
[0052]圖5所示本發(fā)明的譯碼模塊的示意圖；
[0053]圖6為本發(fā)明的圖像數(shù)據(jù)采樣的邏輯圖；
[0054]圖7為本發(fā)明的背景抑制的邏輯圖；
[0055]圖8為本發(fā)明的黑白目標(biāo)分割的邏輯圖；
[0056]圖9為本發(fā)明的二值化目標(biāo)輸出的邏輯圖；
[0057]圖10為本發(fā)明中數(shù)字信號處理器DSP中斷信號生成邏輯圖；
[0058]圖11為本發(fā)明中不同時基信號時序示意圖；
[0059]圖12為本發(fā)明二值化分割后的圖像信號示意圖。
【具體實施方式】
[0060]下面，結(jié)合實例對本發(fā)明的實質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不局限于所列的實施例。
[0061 ]本發(fā)明圖像二值化目標(biāo)分割裝置在實時處理數(shù)字圖像數(shù)據(jù)時不采用幀存，而是采用直接對實時的視頻圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行逐行背景抑制、直方圖統(tǒng)計、黑白目標(biāo)閾值計算、黑白目標(biāo)目標(biāo)分割，并形成實時二值化目標(biāo)輸出。
[0062 ]參見圖3所示，一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置，包括:
[0063]可編程邏輯器件，用于對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號以及根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像；
[0064]數(shù)字信號處理器，與可編程邏輯器件相連接，用于完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置，根據(jù)可編程邏輯器件提供的三路中斷信號，執(zhí)行以下:
[0065]當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)；
[0066]當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制；
[0067]當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)的閾值，將計算出的黑白目標(biāo)的閾值輸入到可編程器件用于對背景抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割；
[0068]直方圖統(tǒng)計器，與可編程邏輯器件及數(shù)字信號處理器器相連接，用于在可編程邏輯器件控制下，按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，直至一幀視頻數(shù)據(jù)掃描結(jié)束。
[0069]本發(fā)明中，所述實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)為8位數(shù)字圖像信號數(shù)據(jù)，所述可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片，所述數(shù)字信號處理器采用DSP處理器，所述直方圖統(tǒng)計器采用直方圖統(tǒng)計專用芯片，具體實現(xiàn)上，所述直方圖統(tǒng)計專用芯片可以采用Intersil公司的HSP48410直方圖統(tǒng)計芯片，所述可編程邏輯器件CPLD可采用Altera公司EPM7512 CPLD可編程邏輯器件，DSP處理器可以采用Texas儀器公司的TMS320F206數(shù)字信號處理器。
[0070]本發(fā)明中，以HSP48410直方圖統(tǒng)計專用芯片為例說明直方圖統(tǒng)計器與可編程邏輯器件及數(shù)字信號處理器的線路連接，參見圖3所示，SUBO?SUB8為背景抑制后的圖像數(shù)據(jù)線信號，由可編程邏輯器件提供。YDO?YD15為數(shù)字信號處理器DSP數(shù)據(jù)線，YAO?YA15為數(shù)字信號處理器的地址線，RD48410和WR48410分別為讀/寫信號，MGATEN是選通信號，LD48410是數(shù)據(jù)加載(輸入控制)信號，F(xiàn)C48410為幀控制信號。其中，RD48410、WR48410、MGATEN、LD48410、FC48410信號都是由可編程邏輯器件提供。
[0071 ] 本發(fā)明中，數(shù)字信號處理器DSP，片內(nèi)有4k的程序RAM，編好的程序通過JTAG接口下載到片內(nèi)程序RAM中。數(shù)字信號處理器DSP在上電初始化時，將直方圖統(tǒng)計器初始化為直方圖統(tǒng)計模式后，開始等待中斷，其處理流程見圖5所示。
[0072]數(shù)字信號處理器DSP有三個中斷信號Y/INT1?Y/INT3，由可編程邏輯器件提供。
[0073]第一中斷信號Y/INT1有效時，DSP通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)；
[0074]第二中斷信號Y/INT2有效時，DSP計算讀取行灰度平均值，輸入到可編程器件用于背景抑制；
[0075]第三中斷信號Y/INT3有效時，從直方圖統(tǒng)計器中讀取灰度分布數(shù)據(jù)，并計算黑目標(biāo)、白目標(biāo)閾值，計算出的黑目標(biāo)、白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于黑目標(biāo)、白目標(biāo)分割。
[0076]具體的閾值計算方法為，假設(shè)黑目標(biāo)灰度峰值(最小非零的灰度值)P||，白目標(biāo)灰度峰值(最大灰度值)Pe，黑目標(biāo)閾值為TH，白目標(biāo)閾值為Te，則計算過程如下:
[0077]T黑=P黑+α.P黑(I)
[0078]T白= Pg-Q.P白(2)
[0079]式中，α為比例系數(shù)，一般為經(jīng)驗值。數(shù)字信號處理器DSP從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度數(shù)據(jù)，計算出Pii和Pe，分別代入公式(I)和公式(2)，便可以計算出黑目標(biāo)、白目標(biāo)的閾值。
[0080]本發(fā)明中，可編程邏輯器件用于完成圖像數(shù)據(jù)采樣、背景抑制、目標(biāo)分割、地址譯碼和DSP中斷信號生成的功能。
[0081]可編程邏輯器件的譯碼模塊的邏輯如圖5所示，譯碼都是簡單邏輯，主要根據(jù)具體應(yīng)用時地址分配情況確定，用于將使用的存儲器、鎖存器的地址空間分配一一對應(yīng)，沒有重疊即可。
[0082]從圖5中可以看到，左端為輸入信號，右端為輸出信號。[ΥΑ15...ΥΑ12]為數(shù)字信號處理器DSP的地址線信號，Y/DS、Y/IS、Y/RW、Y/WR、Y/STRB為數(shù)字信號處理器DSP的控制線信號，ADCLK為像素時鐘信號，HD為行驅(qū)動信號，也是行時基進(jìn)信號。譯碼模塊輸出的控制信號分別用于直方圖統(tǒng)計器和目標(biāo)分割圖過程中如圖7?10中的各類控制信號，即背景抑制、目標(biāo)分割、目標(biāo)輸出及數(shù)字信號處理器DSP中斷信號生成的控制信號。
[0083]可編程邏輯器件中的圖像數(shù)據(jù)采樣由8位鎖存器實現(xiàn)，如圖6所示。圖6中，AD[7...0]為外部圖像數(shù)據(jù)輸入，Y/D[7...0]為數(shù)字信號處理器DSP數(shù)據(jù)總線的低8位，ADCLK為像素時鐘信號，SAMPLE為選通輸出控制信號，由圖5中的譯碼邏輯模塊生成。
[0084]本發(fā)明中，所述可編程邏輯器件包括:
[0085]背景抑制模塊，包括第一8位鎖存器、第二 8位鎖存器以及減法器，所述第一 8位鎖存器用于鎖存輸入的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，第二 8位鎖存器用于鎖存由數(shù)字信號處理器通過數(shù)據(jù)總線輸入的行灰度平均值數(shù)據(jù)，減法器用于將第一 8位鎖存器中的圖像數(shù)據(jù)與第二 8位鎖存器中的行灰度平均值數(shù)據(jù)相減，形成背景抑制后的數(shù)據(jù)輸出。
[0086]可編程邏輯器件中的背景抑制模塊，具體如圖7所示，輸入的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)AD[7...0]鎖存在8位鎖存器2中；行灰度平均值數(shù)據(jù)由DSP通過其數(shù)據(jù)總線Y/D[7...0]寫入8位鎖存器3中；8位減法器將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)與行灰度平均值數(shù)據(jù)相減，形成背景抑制后的數(shù)據(jù)輸出SUB[8...0]，其中SUB[8]是符號位。SUB[8...0]對應(yīng)直方圖輸入SUB8...SUBO0
[0087]本發(fā)明中，所述可編程邏輯器件包括:
[0088]目標(biāo)分割模塊，包括第一9位鎖存器、第二9位鎖存器、第三9位鎖存器以及第一比較器、第二比較器;其中，第一9位鎖存器用于將背景抑制后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，第二9位鎖存器與第三9位鎖存器3分別用于鎖存數(shù)字信號處理器DSP輸出的黑目標(biāo)閾值和白目標(biāo)閾值，第一比較器用于將小于黑目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的黑目標(biāo)，第二比較器用于將大于白目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的白目標(biāo)。
[0089]可編程邏輯器件中的目標(biāo)分割模塊邏輯具體參見圖8所示。圖8中，9位鎖存器I將背景抑制后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，9位鎖存器2和9位鎖存器3分別鎖存DSP輸出的黑目標(biāo)閾值和白目標(biāo)閾值，通過比較器I將小于黑目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出，記為SLD，即為分割出的黑目標(biāo);通過比較器2將大于白目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出，記為SGD，即為分割出的白目標(biāo)。
[0090]本發(fā)明中，所述可編程邏輯器件還包括:
[0091 ]目標(biāo)選擇輸出模塊，用于將目標(biāo)分割模塊分割出的黑白目標(biāo)通過目標(biāo)極性選擇控制，將黑目標(biāo)與白目標(biāo)選擇輸出，并最終形成二值化目標(biāo)輸出。
[0092 ]其中，本發(fā)明中，所述目標(biāo)選擇輸出模塊包括:
[0093]雙D觸發(fā)器以及與雙D觸發(fā)器連接的或門，雙D觸發(fā)器用于將黑目標(biāo)或白目標(biāo)進(jìn)行選擇輸出，通過或門形成二值化目標(biāo)。
[0094]且所述目標(biāo)選擇輸出模塊又包括有目標(biāo)極性選擇控制器，包括一個D觸發(fā)器及兩個與門，用于根據(jù)通過非門從外部輸入的區(qū)域選通信號，通過兩個與門鎖存輸出極性互反的黑目標(biāo)信號和白目標(biāo)信號至所述雙D觸發(fā)器。
[0095]分割出的黑白目標(biāo)通過目標(biāo)極性選擇控制，輸出最終所需要極性的目標(biāo)，如圖9所示。在圖9中，通過雙D觸發(fā)器將黑目標(biāo)或白目標(biāo)進(jìn)行選擇輸出，通過或門形成二值化目標(biāo)TARGET輸出。BLACK信號和WHITE信號由DSP通過D觸發(fā)器鎖存輸出形成，它們的極性互反，SPBLACK = I時，WHITE = O，BLACK = O時，WHITE = I。圖9中的MGATE信號為外部輸入的區(qū)域選通信號，用于選通需要處理的圖像區(qū)域。
[0096]具體的，本發(fā)明中，所述可編程邏輯器件包括:
[0097]中斷信號生成模塊，用于生成DSP的中斷信號，包括4位的二進(jìn)制計數(shù)器以及連接所述4位的二進(jìn)制計數(shù)器的邏輯組合電路，用于完成16分頻計數(shù)，與行消隱HB信號通過邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合形成第一中斷信號輸出；將行消隱HB與場消隱VB信號邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合后形成第二中斷信號輸出;場同步信號VS直接用于第三中斷信號輸出。
[0098]DSP中斷信號生成如圖10所示，在圖10中，4位的二進(jìn)制計數(shù)器完成16分頻計數(shù)，與行消隱HB信號邏輯組合形成Y/INT1中斷信號輸出；行消隱HB與場消隱VB信號邏輯組合后，形成Y/INT2中斷信號輸出；場同步信號VS直接用于Y/INT3中斷信號輸出。
[0099]圖3?10中出現(xiàn)的行驅(qū)動HD、行消隱HB、場消隱VB、場同步VS為時基信號，其信號特征符合PAL制視頻定義，其時序關(guān)系如圖11所示。
[0100]對于PAL制視頻，采用本發(fā)明對目標(biāo)進(jìn)行分割后的二值化圖像信號如圖12所示。
[0101]采用用本發(fā)明的圖像二值化目標(biāo)分割裝置進(jìn)行的圖像二值化目標(biāo)分割方法，具體包括以下步驟:
[0102]在通過數(shù)字信號處理器完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置后，通過可編程邏輯器件對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號給數(shù)字信號處理器；
[0103]數(shù)字信號處理器根據(jù)可編程邏輯器件提供的三路中斷信號，分別執(zhí)行:
[0104]當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)；
[0105]當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制；
[0106]當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)閾值，將計算出的黑白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于對逐行背景抑制后視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割；
[0107]其中，直方圖統(tǒng)計器按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，供數(shù)字信號處理器讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)；
[0108]可編程邏輯器件根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像。
[0109]從圖2中可以看到，本發(fā)明分割裝置及方法整個視頻數(shù)據(jù)處理沒有幀存，是以像素時鐘(一般不低于5MHz)進(jìn)行的;行灰度平均值的計算在行逆程中計算完成，用時不到1ys;減法器以像素時鐘的速度進(jìn)行運(yùn)算;直方圖統(tǒng)計以像素時鐘速度進(jìn)行，一幀數(shù)據(jù)結(jié)束后，灰度直方圖統(tǒng)計完成。黑白目標(biāo)的閾值計算在幀逆程或場逆程完成閾值計算，閾值計算時間不超過1.6ms;目標(biāo)分割用比較器實現(xiàn)，以像素時鐘速度運(yùn)行，用上一幀/場的閾值作為當(dāng)前幀/場的分割門限；選擇器用邏輯器件實現(xiàn)，延時不超過15ns，可忽略不計。通過上述分析，在序列視頻中，二值化分割以像素時鐘進(jìn)行，為實時分割，當(dāng)幀完成。此外，由于以像素時鐘運(yùn)行，因此處理時間不隨像素數(shù)增加而增加，可以保證對整幀圖像的二值分割在當(dāng)幀完成，實時性較其它方法更好。
[0110]且在以像素時鐘實時數(shù)據(jù)流運(yùn)行條件下，不論背景和目標(biāo)灰度如何變化，采用行灰度平均值逐行進(jìn)行背景抑制，背景灰度都在O灰度附近，直方圖變?yōu)殡p峰值灰度分布，兩端為目標(biāo)灰度分布區(qū)，目標(biāo)對比度相對增強(qiáng)，減小或消除了背景對閾值提取的影響，閾值提取更穩(wěn)定可靠。
[0111]在行背景抑制后，背景的波動幅度減小，即變得平坦，目標(biāo)對比度相對增強(qiáng)。分割目標(biāo)受背景變化的影響也變小，自適應(yīng)能力更強(qiáng)。
[0112]本發(fā)明圖像二值化目標(biāo)分割裝置及方法，具有以下特點(diǎn):
[0113]a.數(shù)據(jù)延遲小，實時性好;b.采用行灰度平均值進(jìn)行逐行背景抑制，抑制背景干擾好，對背景的抑制能力更強(qiáng);c.對目標(biāo)動態(tài)變化自適應(yīng)能力強(qiáng);d.采用像素時鐘速度處理分割圖像，實時性不受圖像區(qū)域大小的限制，只要選擇的器件速度滿足像素時鐘運(yùn)行要求即可。
[0114]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，包括: 可編程邏輯器件，用于對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號以及根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像； 數(shù)字信號處理器，與可編程邏輯器件相連接，用于完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置，根據(jù)可編程邏輯器件提供的中斷信號，執(zhí)行: 當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)； 當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制； 當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)閾值，將計算出的黑白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于對逐行背景抑制后視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割； 直方圖統(tǒng)計器，與可編程邏輯器件及數(shù)字信號處理器相連接，用于在可編程邏輯器件控制下，按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述可編程邏輯器件包括: 背景抑制模塊，包括第一 8位鎖存器、第二 8位鎖存器以及減法器，所述第一 8位鎖存器用于鎖存輸入的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，第二 8位鎖存器用于鎖存由數(shù)字信號處理器通過數(shù)據(jù)總線輸入的行灰度平均值數(shù)據(jù)，減法器用于將第一 8位鎖存器中的圖像數(shù)據(jù)與第二 8位鎖存器中的行灰度平均值數(shù)據(jù)相減，形成背景抑制后的數(shù)據(jù)輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述可編程邏輯器件包括: 目標(biāo)分割模塊，包括第一9位鎖存器、第二9位鎖存器、第三9位鎖存器以及第一比較器、第二比較器;其中，第一9位鎖存器用于將背景抑制后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，第二9位鎖存器與第三9位鎖存器3分別用于鎖存數(shù)字信號處理器輸出的黑目標(biāo)閾值和白目標(biāo)閾值，第一比較器用于將小于黑目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的黑目標(biāo)，第二比較器用于將大于白目標(biāo)閾值的灰度數(shù)據(jù)輸出形成分割出的白目標(biāo)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述可編程邏輯器件包括: 目標(biāo)選擇輸出模塊，用于將分割出的黑白目標(biāo)通過目標(biāo)極性選擇控制，將黑目標(biāo)與白目標(biāo)選擇輸出，并最終形成二值化目標(biāo)輸出。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述目標(biāo)選擇輸出模塊包括: 雙D觸發(fā)器以及與雙D觸發(fā)器連接的或門，雙D觸發(fā)器用于將黑目標(biāo)或白目標(biāo)進(jìn)行選擇輸出，通過或門形成二值化目標(biāo)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述目標(biāo)選擇輸出模塊包括: 目標(biāo)極性選擇控制器，包括一個D觸發(fā)器及兩個與門，用于根據(jù)通過非門從外部輸入的區(qū)域選通信號，通過兩個與門鎖存輸出極性互反的黑目標(biāo)信號和白目標(biāo)信號至所述雙D觸發(fā)器。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述可編程邏輯器件包括: 中斷信號生成模塊，包括4位的二進(jìn)制計數(shù)器以及連接所述4位的二進(jìn)制計數(shù)器的邏輯組合電路，用于完成16分頻計數(shù)，與行消隱HB信號通過邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合形成第一中斷信號輸出；將行消隱HB與場消隱VB信號邏輯組合電路進(jìn)行邏輯組合后形成第二中斷信號輸出;場同步信號VS直接用于第三中斷信號輸出。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述黑白目標(biāo)的閾值的計算采用如下公式: T 黑=P黑+α.Pm τ&=Ρ&-α.P白 式中，Pii為黑目標(biāo)灰度峰值，為最小非零的灰度值;Pe為白目標(biāo)灰度峰值，為最大灰度值;Tii為黑目標(biāo)閾值，τ自為白目標(biāo)閾值，α為比例系數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述圖像二值化目標(biāo)分割裝置，其特征在于，所述可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片，所述數(shù)字信號處理器采用DSP處理器，所述直方圖統(tǒng)計器采用直方圖統(tǒng)計專用芯片。10.一種采用權(quán)利要求1-9任一項所述分割裝置進(jìn)行的圖像二值化目標(biāo)分割方法，其特征在于，包括以下步驟: 在通過數(shù)字信號處理器完成可編程邏輯器件及直方圖統(tǒng)計器的初始化設(shè)置后，通過可編程邏輯器件對輸入的實時數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采樣、生成控制數(shù)字信號處理器的三路中斷信號給數(shù)字信號處理器； 數(shù)字信號處理器根據(jù)可編程邏輯器件提供的三路中斷信號，分別執(zhí)行: 當(dāng)?shù)谝恢袛嘈盘栍行r，通過可編程邏輯器件在行掃描周期中讀取數(shù)字視頻灰度數(shù)據(jù)； 當(dāng)?shù)诙袛嘈盘栍行r，計算視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值輸入到可編程器件用于逐行背景抑制； 當(dāng)?shù)谌袛嘈盘栍行r，從直方圖統(tǒng)計器中讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)并計算黑白目標(biāo)閾值，將計算出的黑白目標(biāo)閾值輸入到可編程器件用于對逐行背景抑制后視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割； 其中，直方圖統(tǒng)計器按照實時視頻掃描格式，以像素時鐘速度對由可編程邏輯器件輸入的背景抑制后的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，供數(shù)字信號處理器讀取直方圖灰度分布數(shù)據(jù)； 可編程邏輯器件根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的視頻灰度數(shù)據(jù)的行灰度平均值對輸入的實時數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行背景抑制、再根據(jù)數(shù)字信號處理器輸入的黑白目標(biāo)的閾值，對逐行背景抑制的數(shù)據(jù)進(jìn)行黑白目標(biāo)分割，然后輸出二值目標(biāo)圖像。
【文檔編號】G06T7/00GK105844656SQ201610257292
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】徐書文
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所