摘 要： 針對計算機處理高清圖像或視頻的邊緣檢測時存在延時長和數(shù)據(jù)存儲帶寬受限的缺點，提出了用Vivado HLS將邊緣檢測軟件代碼轉(zhuǎn)換成RTL級硬件電路的硬件加速方法。硬件加速是將運算量大的功能模塊由硬件電路實現(xiàn)，根據(jù)硬件電路工作頻率高和數(shù)據(jù)位寬自定義，可以解決延時長和數(shù)據(jù)寬度受限的缺點。實驗結果表明，邊緣檢測硬件加速方法不僅使延時和數(shù)據(jù)帶寬都得到了改善，而且也縮短了邊緣檢測的開發(fā)周期。

0 引言

在計算機視覺和圖像處理領域中，圖像邊緣檢測技術起著重要的作用，其效果好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。由于圖像的邊緣蘊含了豐富的內(nèi)在信息，是進行圖像分割、特征值提取的重要依據(jù)。邊緣檢測不僅能減少處理數(shù)據(jù)，又能保留圖像中物體的形狀信息，是實時圖像處理中的重要內(nèi)容之一[1]。

在現(xiàn)階段，主要采用軟件方式或者FPGA硬件方式來實現(xiàn)邊緣檢測。文獻[2]-[4]采用軟件方法實現(xiàn)圖像的邊緣檢測，雖然邊緣檢測的效果得到了改善，但是不能在延時和數(shù)據(jù)帶寬方面做出改善。文獻[5]-[7]采用FPGA方法實現(xiàn)圖像的邊緣檢測，此硬件方法雖然改善了邊緣檢測的延時長和數(shù)據(jù)帶寬受限的不足，但是由于FPGA硬件設計的復雜性會導致整個電路開發(fā)周期變長。

本文采用Xilinx公司的Vivado HLS將邊緣檢測的軟件代碼轉(zhuǎn)化為RTL硬件電路。這樣不僅解決了軟件方法所帶給系統(tǒng)延時長和數(shù)據(jù)帶寬窄的缺點，而且避免了FPGA硬件電路設計周期長的不足。

1 邊緣檢測算法設計

基于Sobel算子的邊緣檢測具有算法簡單、實現(xiàn)方便等優(yōu)勢，但在處理圖像時會存在對噪聲敏感和邊緣界限模糊等不足，所以需要在Sobel算法的基礎上進行優(yōu)化。優(yōu)化后的邊緣檢測由中值濾波、膨脹濾波、邊緣檢測模塊和腐蝕濾波模塊構成，如圖1所示。在圖像輸入后，首先中值濾波器對輸入圖像進行平滑圖像噪聲處理，然后由膨脹濾波器求出圖像的局部最大值，再由邊緣檢測模塊來提取圖像的邊緣信息，最后由腐蝕濾波器消除圖像中的“斑點”噪聲，從而得到最佳的圖像邊緣。

2 邊緣檢測軟硬件協(xié)同設計

邊緣檢測的軟硬件協(xié)同設計主要包括軟件應用設計、硬件加速設計和SoC應用設計。

2.1 軟硬件協(xié)作開發(fā)流程

軟件應用設計是將邊緣檢測的功能用OpenCV函數(shù)或者自定義功能函數(shù)實現(xiàn)；硬件加速設計將軟件代碼轉(zhuǎn)換為RTL電路，其中不可綜合的函數(shù)或者語句需用Vivado HLS支持的函數(shù)替換；SoC應用設計將Vivado HLS輸出的RTL電路應用到實際的SoC系統(tǒng)[8]。圖2是邊緣檢測硬件加速流程圖。

如圖2所示，首先完成軟件應用的開發(fā)，然后將Vivado HLS不能綜合的OpenCV函數(shù)鏈替換成HLS視頻庫函數(shù)鏈，最后封裝成IP在FPGA中調(diào)用。

2.2 邊緣檢測軟硬件協(xié)作實現(xiàn)

在軟件實現(xiàn)階段使用OpenCV函數(shù)庫或者自定義的C語言函數(shù)實現(xiàn)邊緣檢測算法，但Vivado HLS不能綜合所有的軟件代碼。當軟件代碼中存在Vivado HLS不能綜合的函數(shù)時就需要將這些函數(shù)展開或者替換，如定點運算、片上的行緩存和窗口緩存來完成動態(tài)的內(nèi)存分配、浮點和圖像在外部存儲器中存放和修改的操作。

硬件加速方案是在軟件應用的基礎上實現(xiàn)的。在搭建SoC時，使用的是芯片內(nèi)部的AXI互聯(lián)總線，其所支持的數(shù)據(jù)類型是AXI4 video stream。在設計邊緣檢測IP接口時需要將AXI4 video stream與Vivado HLS所支持的hls：：Mat類型進行相互轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊見圖2中AXIvideo2Mat和Mat2AXIvideo模塊。Vivado HLS將OpenCV函數(shù)鏈轉(zhuǎn)換成HLS視頻庫函數(shù)鏈。硬件加速階段包括邊緣檢測的仿真與優(yōu)化，只有在優(yōu)化和仿真通過之后才將RTL級電路封裝成IP核輸出。

3 系統(tǒng)搭建與IP核優(yōu)化

邊緣檢測的軟硬件協(xié)作應用具有一定的局限性，只能在具備處理器和可編程邏輯陣列的SoC中應用。本文是在Xilinx公司的zc7z020clg484-1系列芯片中進行邊緣檢測的系統(tǒng)搭建與功能驗證。

3.1 SoC系統(tǒng)設計

Vivado HLS將邊緣檢測IP輸出到Vivado的IP catalog，在SoC系統(tǒng)設計時調(diào)用邊緣檢測IP核即可。搭建的邊緣檢測SoC系統(tǒng)如圖3所示。