基于Sobel算法的边缘检测设计与实现（一张图绝杀必懂）
1、边缘检测
针对的时灰度图像，顾名思义，检测图像的边缘，是针对图像像素点的一种计算，目的时标识数字图像中灰度变化明显的点，图像的边缘检测，在保留了图像的重要结构信息的同时，剔除了可以认为不相关的信息，大幅度减少了数据量，便于图像的传输和处理；
边缘检查的方法大致可以分为两类：基于查找的一类，通过寻找图像一阶导数中最大值和最小值来检测边界，包括Sobel算法、Roberts Cross算法等；基于零穿越的一类，通过寻找图像二阶导数零穿越来寻找边界，包括Canny算法，Laplacian算法等。
Sobel算法：准确率比较低，但是效率比较高；
详细见下面网址：
https://blog.csdn.net/great_yzl/article/details/119709699
Soble算法的核心就是Sobel算子，该算子包含两组3x3的矩阵；
对于图像而言，取3行3列的图像数据，将图像数据与对应位置的算子的值相乘再相加，得到x方向的Gx，和y方向的Gy，将得到的Gx和Gy，平方后相加，再取算术平方根，得到Gxy，近似值为Gx和Gy绝对值之和，将计算得到的Gxy与我们设定的阈值相比较，Gxy如果大于阈值，表示该点为边界点，此点显示黑点，否则显示白点。
2、实验设计
我们将Sobel算法在图像边缘检查中的实现分为4步，第1步，通过Gx、Gy的计算公式结合FIFO求和算法求取Gx、Gy的值；第2步，求得Gx、Gy的绝对值；第3步，将Gx、Gy带入Gxy计算公式，求得Gxy的值；第4步，将求得的Gxy与设定的阈值相比较，当Gxy大于等于阈值，赋值rgb为黑色，否则， rgb赋值为白色。
图片正在经过Sobel算法之后，输出的图片相比于输入时的图片会少2行2列数据，这是因为在求取Gx、Gy时，要使用FIFO求和算法，该算法只有在第2行或第2列数据输入时才开始执行，第0、1行或第0、1列不会进行求和运算，更无数据输出，所以会缺失的2行2列。
2.1 实验目标
实验目标：使用Matlab软件将图片转换为灰度图像，并且将灰度图像的高 3 位取出存放为txt 文本 ，PC机通过串口RS232传输图片数据给FPGA，FPGA通过Sobel算法检测出图片的边缘轮廓，将处理后的图片在VGA显示器上显示出来。
实验要求：VGA显示模式：640x480@60；传入图片分辨率大小100x100。
2.2 图片预处理
在进行Sobel算法之前，先要将图片进行一下预处理，将彩色图片转换成灰度图像，并且将灰度图像的高 3 位取出存放为txt 文本，图解和代码；
matlab代码：
clc; %清理命令行窗口clear all; %清理工作区image = imread('D:\FPGA\FPGA_Basic_Pro\sobel\matalb\curry_logo.bmp'); %使用imread函数读取图片数据figure;imshow(image); %窗口显示图片
R = image(:,:,1); %提取图片中的红色层生成灰度图像figure;imshow(R); %窗口显示灰色图像[ROW,COL] = size(R); %灰色图像大小参数data = zeros(1,ROW*COL); %定义一个初值为0的数组,存储转换后的图片数据for r = 1:ROWfor c = 1 : COLdata((r-1)*COL+c) = bitshift(R(r,c),-5); %红色层数据右移5位end
endfid = fopen('D:\FPGA\FPGA_Basic_Pro\sobel\matalb\logo.txt','w+'); %打开或新建一个txt文件for i = 1:ROW*COLfprintf(fid,'%02x' ,data(i)); %写入图片数据
end
fclose(fid);2.3 模块框图
| 模块名称 | 功能描述 |
|---|---|
| sobel | 顶层模块 |
| clk_gen | 时钟生成模块 |
| uart_rx | 串口数据接收模块 |
| uart_tx | 串口数据发送模块 |
| sobel_ctrl | 数据求和模块 |
| vga | vga显示顶层模块 |
| vga_pic | 图像数据生成模块 |
| vga_ctrl | vga显示驱动模块 |
数据求和模块sobel_ctrl是本实验工程的核心模块，负责Sobel算法的实现，模块包含4路输入信号和2路输出信号，内部还调用了2个fifo，参与sobel运算。
输入信号中除了输入系统时钟sys_clk和系统复位信号sys_rst_n，还有自uart_rx模块输入的数据信号pi_data和与之对应的数据标志信号pi_flag，数据输入后通过sobel运算后得出Gx、Gy，进而求出Gxy，求出结果与阈值比较，根据比较结果给输出信号po_data赋值，输出信号除了po_data之外还有与之同步的数据标志信号po_flag。 sobel_ctrl模块框图，具体见图：
| · | 位宽 | 类型 | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| sys_clk | 1Bit | Input | 工作时钟，频率50MHz |
| sys_rst_n | 1Bit | Input | 复位信号，低电平有效 |
| pi_flag | 1Bit | Input | 输入数据标志信号 |
| pi_data | 8Bit | Input | 输入拼接后的图像数据 |
| po_flag | 1Bit | Output | 输出数据标志信号 |
| po_data | 8Bit | Output | 输出经sobel算法处理后的图像数据 |
下面的这张手绘图将带你绝杀sobel_ctrl模块：
在sobel_ctrl模块中，主要的数据处理就是利用两个fifo作为数据缓冲池，存储两行像素数据，在两行像素数据写入fifo，后面将pi_data读入fifo2，此时fifo2也将读出一个数据写入fifo1，利用两个FIFO存储行像素数据，并进行读写流转，在两个FIFO都成功读出两个数据之后，即可实现每个始终周期有三行（fifo1_out fifo2_out和pi_data）三列数据赋值给算子 （a1~c3）九个数据，然后进行Gx和Gy的计算，达到阈值输出像素数据为全黑色，否则为白色；
什么时候计算Gx和Gy？设置读使能计数器，控制计算。如下图
家人们 是不是豁然开朗？