基于fpga的图像细化算法及其在轨距测量系统中的应用

工学硕士学位论文 基于FPGA的图像细化算法及其在轨距 测量系统中的应用 李娜 2004年5月 密级: 分类号: 工学硕士学位论文 基于FPGA的图像细化算法及其在轨距 测量系统中的应用 硕士研究生： 导 师： 申请学位级别： 学科、专业: 答辩日期: 授予学位单位: 李娜 张春华研究员 工学硕士 通信与信息系统 2004年5月 河北大学 Classified Index: U.D.C.: A Dissertation for the Degree of M. Engineering The Study of the Image Thinning Algorithm Based on Fpga and its Application on the Measurement System for the Railway Gauge Candidate Li Na Supervisor Zhang ChunHua Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Comm. &Info.System Date of Oral Examination May, 2004 University: HeBei University 摘要 轨距是最基本的轨道参数之一。自有轨检车以来，轨距一直是检测的一项内 容。如果轨距不能精确的检测，将会造成重大的铁路安全隐患。为了适应快速、 重载的需要，确保列车安全、平稳、无间断的运行，迫使轨检车的检测能力需要 提高，工作性能需要优化。如何精确而高效地测量出钢轨轨距一直是国内外铁道 部门的一个重要的研究课题。 本文首先简要介绍了钢轨轨距检测的开发背景、研究现状及FPGA的有关知识。 然后针对轨距自动检测系统，论述了系统的组成及检测原理，主要对图像细化都 作了详细介绍。最后并利用VHDL语言编程实现轨距检测中的钢轨图像细化，并通 过了仿真验证。 轨距测量系统是我们实验室的一个重要的研究课题，为了增强系统的实时性 能，满足轨距自动检测系统高速、实时的检测要求，最大可能的降低成本，经过 详细的分析轨距测量算法的特点和FPGA器件以及FPGA系统的特点，我们得出了 利用FPGA实现轨距测量系统在性能、成本等方面有着巨大的优越性。 关键词：轨距；FPGA； 细化；投票法 Abstract Gauge is one of the basic rail parameters and it has always been one of the necessary parameters to measure ever since the gauge measurement vehicle developed. If the gauge can not be measured precisely, it will lead to weighty rail hidden trouble. In order to adapt to the need of speediness and over loading, to guarantee the train run safely, smoothly and uninterruptedly, we must improve the measurable capacity and optimize the performance .So, it is very important for the rail gauge to be measured precisely and high efficiently and it is still an important research of the train department in every country to be in face. This paper first introduces the developing background and the research status quo of the automatic measurement system for railway gauge and also some knowledge about FPGA. Then it illustrates the structure and the measurement principle of the gauge automatic measurement system. And also it carefully introduces the image thinning .At last I use VHDL to realize the gray thinning algorithm of the gauge automatic measurement system and achieve simulation. Measurement system for railway gauge is an important area of our laboratory. In order to control the cost of the measurement system, satisfy the requirements of high speed and real time in gauge automatic measurement system,improve its performance,based on analysis the characters of the algorithm of the measurement system for railway gauge and the characters of FPGA chips and FPGA systems, We draw a conclusion,that the measurement system based on FPGA can resolve those shortages. Key words： gauge； FPGA； thinning； voting 目 录 第1章绪论 1 1. 1计算机视觉技术概论 1 1. 2轨距测量系统研究意义及发展状况 2 1.2. 1轨距测量的研究意义 2 1.2.2轨距测量的发展现状及其分析 3 1. 3数字信号处理的发展过程 5 1.3.1数字信号处理的发展 5 1. 3.2数字信号处理的实现方法 6 1. 4本文所做的主要内容以及已取得的成果 8 1. 5本章小结 9 第2章 系统测量方法 10 2. 1 计算机视觉的主动测量方法 10 2. 1. 1光取断面法介绍 11 2. 2.2光取断面法在轨距测量系统中的应用 11 2. 2 摄像机标定的方法 12 2. 3 本章小结 13 第3章 可编程逻辑器件的介绍 14 3. 1 FPGA器件的简单介绍 14 3.2 FPGA系统的设计及开发流程 16 3. 3专门用于实时轨距测量的FPGA系统的结构 17 3. 4 APEX20K器件的开发工具 19 3. 5用FPGA实现轨距测量的优越性 20 3. 6本章小结 20 第4章硬件系统开发技术 21 4. 1硬件描述语言的起源 21 4. 2 VHDL描述语言 22 4.3 VHDL在电子系统硬件设计中的优点 24 4.4本章小结 25 第5章基于FPGA实现的实时轨距测量系统 26 5. 1轨距自动测量系统的构成 26 5. 2图像的采集 27 5. 3图像的细化算法介绍 28 5.4灰度图像的细化 30 5. 4. 1摄像机标定 31 5. 5系统仿真结果及分析 39 5. 6本章小结 41 第6章总结 42 参考文献 44 致谢 47 第1章绪论 铁路是国民经济的大动脉，近年来随着铁路运输的大力发展，客货运量和行 车密度大幅度增长，因此轨距的检测技术已经变得越来越重要，因为它直接关系 到轨道设备的安全使用和经济的维修保养。 1.1计算机视觉技术概论 计算机视觉是计算机科学和人工智能的一个重要分支。其研究目的和内容有 两个方面，一是如何用计算机实现部分人类视觉的功能；二是由此帮助人类理解 人类视觉的机理⑴。 计算机视觉的奠基人Marr,在本世纪70年代提出的视觉计算理论是该领域至 今为止唯一较为完整的理论框架，为广大计算机视觉研究者所遵循。他在遗著 “vision”中，认为视觉处理中存在理论、算法、硬件三个层次，其中最重要的是 理论。在“vision” 一书中他第一次把复杂的视觉过程像物理学和力学那样，用严 格的数学方式表达出来，变成能用计算机完成的信息处理过程，因此可以说这本 书是视觉研究中的一个里程碑。虽然在Marr去世后的10多年里，计算机视觉已 有了很大的进步，但是大部分工作还是在他的理论框架中⑵。 通过Marr的视觉理论，我们可以明白：计算机视觉可以看作是从三维环境的 图像中抽取、描述和解释信息的过程，它可以分为六个主要部分⑶： （1） 感觉。是指获得图像的过程即数字图像的采集。常见的图像采集装置有摄 像机、线阵CCD像感器、面阵CCD像感器、扫描仪及目前推出的数字摄像机等。 （2） 预处理。之所以提出图像预处理的要求，主要是考虑到计算机的运算速度 和低成本需求。基本的预处理有方法：一种是基于空间域技术的方法；另一种是 基于频率技术的方法。它主要解决图像的增强、平滑、尖锐化、滤波以及伪彩色 处理问题。 （3） 分割。是将图像划分成若干有一定含义物体的过程。它是视觉技术中的重 要一步。常用的分割技术有灰度域值法、边缘检测、匹配和拟合、区域跟踪和增 长、迭代松弛法以及运动分割等。 （4） 描述。描述是为了进行识别而从物体中抽取特征的过程。描述符应该含有 足够多可用鉴别的信息，以便在众多物体中唯一的识别某物体。 （5） 识别。识别是一种标记过程。识别算法的功能在于识别景物中每个已分割 的物体，并赋予该物体以某种标记。 （6） 解释。可以看作是机器人对其环境具有更高级的认知行为。 1.2轨距测量系统研究意义及发展状况 1.2.1轨距测量的研究意义 随着火车的不断提速和各种新型机车的运行，因此为保证线路经常保持稳定 和良好状态，就必须加强对轨道的养护维修。所以目前钢轨轨道管理的主要问题 已经不仅仅是保障行车安全，更重要的是找到线路维修养护方法，使得在各种情 况下，基础建设和维修保养方面的总支出为最小。以前由于铁路网规模小，列车 运行速度比较低，行车密度比较小，轨道管理的主要目的是监督行车安全。随着 铁路的不断发展，如今管理的重点已经转变，迅速确定线路维修所必需的客观资 料已经成为十分重要的任务。在这种情况下，为了保障铁路运输的安全与畅通、 提高运营效率，必须保持设备的完好率，大力采用现代化轨道检查车提供的高精 度数据，对钢轨等关键设备的状态进行实时监控，指导维修作业，已成为历史的 必然。由于轨检车可以同时检测轨距、轨向、车体加速度等多个数据并可以将数 据进行存储打印，为铁路提速、确保安全提供了大量的科学数据资料，已成为铁 路正常运行和维护所必须的一种设备。但在实际工作中它在检测能力和工作性能 方面仍存在不足之处，特别是在数据处理方面有待于深入改进。 铁路两条钢轨的轨距和相对高差是线路状态的主要参数，轨距的定义是从轨 面下16mm处测量两钢轨之间的距离⑷。轨距作为最基本的轨道几何参数之一，一 直是钢轨检测的一项主要内容。目前，国内外主要采用轨检车对这两个参数进行 动态检测。在轨检车的运行过程中，轨距测量系统采用摄像机连续的对钢轨进行 图像采集、储存图像数据，并利用现代图像