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图像的边缘包含了图像大量关键信息，图像边缘检测作为图像处理的重要内容，在许多领域有重要应用。边缘检测算法具有数据量大，重复度高等特点，本文利用XILINX FPGA

经典的Sobel算法设计实现并行流水的图像边缘检测，能大大提高算法实现效率，节约图像处理时间。

图像边缘检测作为图像处理的重要内容，在许多领域有重要应用。本文选用经典的 Sobel 算法作为本系统的边缘检测算法。在 Xilinx 公司 Spartan-3 FPGA平台基础上，使用硬件描述语言设计实现了具有实时数据处理能力的 Sobel 图像边缘检测，构建了包含数据输入输出链路完整的图像边缘检测硬件系统，实现了对输入图像缓存、边缘检测存储功能。通过仿真验证了系统的图像边缘检测功能。

用 FPGA 实现 Sobel 算法，可以通过硬件描述语言直接实现算法的逻辑功能模块，实现算法的逻辑代码虽然简单，但是工作量大且繁琐。Xilinx 公司高级综合工具 Vivado HLS，采用 C语言描述算法的功能，优化算法实现结构，最终由工具经C语言编译、逻辑综合与实现生成高质量的算法逻辑功能模块，整个设计优化过程耗时短，并且能专注于算法架构的优化。

通过 C 语言实现 FPGA 功能模块。我们只要使用 C 语言实现算法设计，再通过 Vivado HLS 转化为硬件描述语言实现，大大节省通过编写逻辑代码实现算法的时间。Sobel 边缘检测算法参与计算的是不在同一行同一列的 9 个像素点，无法在同一个时钟周期内输入。因此，要进行该算法时，可以开辟长度均为图像一行像素点个数的三个数组，用来缓存要计算像素点上一行和当前行的所有像素点，以及下一行正在输入的像素点。

如图1所示，由CMOS数字摄像头完成原始图像数据的采集，传感器输出为数字信号时，输出数据时需要对数据的时序和曝光进行控制；图像数据缓存有大容量的SDRAM模块实现对整个图像数据的存储，边缘检测模块在FPGA内部实现对图像数据的处理，处理过的图像数据，通过VGA进行实时显示。

Sobel 边缘检测算子使用两个方向算子（垂直算子和水平算子），如图2所示。其原理是分别用这两个算子对图像进行卷积运算，得到两个矩阵，再求这两个矩阵对应位置的两个数的均方根，得到一个新的矩阵，即为灰度图像矩阵中各个像素点的梯度值。最后将梯度值与门限T进行比较，当梯度值≥T时，规定该点的灰度值为255，反之为0。

Sobel边缘检测的硬件实现系统应包含梯度计算模块和门限处理模块，其中梯度计算模块可分为图像行缓冲模块和卷积计算模块。此外，各个模块功能的实现可通过调用XILINX提供的各种宏功能模块（Mega-functions）来实现。

边缘检测模块功能仿真波形如图4所示。由图4可见，对于一幅大小为 1024×1024、像素精度为 8 bit 的图像，在 100 MHz系统时钟下，边缘检测模块只需要约 10.5 ms的时间就能完成相应处理，与 Vivado HLS 的实现报告大致相同。

其中， a 图为原始图像， b 图为由软件处理得到的边缘检测结果， c 图为经过硬件系统处理得到

1 基于硬件设计思想的 C 语言 Sobel 算法边缘检测实现设计

2 系统框图基于XILINX FPGA的图像边缘检测系统

3 Sobel硬件实现的系统框图

４ 仿真结果及分析

图1 系统框图

图2 Sobel算子

图3 Sobel硬件实现的系统框图

图4 边缘检测模块功能仿真波形

（a） （b） （c）图5 图像边缘检测结果

（ ） （ ）

（ ） （下转74页）

基于XILINX FPGA的图像边缘检测系统设计

◇连云港师范高等专科学校 海洋港口学院 郁素梅 戴丽莉 孙成祥

本文提出了教室用课桌的桌面通过四杆机构及死点位置控制实现三个位置：正常水平位置；接近垂直位置方便清扫、方便阅读保护颈椎及前后讨论；水平向下偏置一定角度方便电脑文字的输入和小息。项目产品成本合理、实用性强、有良好的推广价值和现实教育意义。

1 引言

2 国内外研究概况

3 教室用新型课桌的设计

4 预期应用前景

高校教室主要还是由黑板、讲台、课桌、多媒体组件等组成，其中黑板、讲台结合多媒体技术已经得到很大的发展，而使用量最大的课桌还是停留在原来的基础上，根据目前高校的教室使用结果存在许多不足，主要表现为学生交流、上黑板等教学活动和打扫卫生、清扫台下垃圾不便等，现设计开发一种新型多种功能教室用课桌，符合大学教室课桌实际使用情况。

目前市场上多功能课桌主要表现为升降功能、增大容量、附放水杯等，主要为中小学学生身体生长发育、教材及资料较多来设计，而大学教室或自修室大多是固定，根据目前高校的教室使用情况，主要存在以下不足。

（1）课桌固定的教室。①抽屉里杂物较多极不卫生，清理不方便；②地面打扫空间小，效率低；③中间座位上的学生上讲台交流等不便；④讨论问题等前后非常不方便；⑤容易忘记物品如手机等。

（2）课桌可移动的教室。①课桌排列不整齐；②抽屉里杂物较多极不卫生；③课桌容易移动产生噪音甚至刺耳的声音，影响上课；④容易忘记物品如手机等。

本项目设计的课桌克服以上主要缺点，如存在学生交流、上黑板等教学活动和打扫卫生、清扫台下不便等，符合大学实际使用情况。

机构的死点是很特殊的位置，死点问题是平面四杆机构的基本特性之一，与机构中构件的运动和受力等情况密切相关。在平面四杆机构中当出现传动角为0度时，作用力方向与运动方向垂直，主动件无法带动从动件运动，这个位置称为机构死点位置如图2所示，将导致整个机构“卡死”，我们将这一位置设计成教室用课桌面的正常使用的水平位置，如图3所示。

桌面有两种固定方式：一种桌面固定在②构件，适用普通教室，并可设计成两人或三人座位课桌；另一种桌面固定在③构件，更适合绘图教室课桌。

通过课桌的创新设计培养了学生动手能力，将书本上、课堂上获得的知识，通过这种创新活动产生出具有社会价值产品，通过申请专利和企业合作为自己的创业之路打好坚实的基础。

3.1 机构设计原理

3.2 课桌效果图

124

图2 死点位置 图3 死点位置的应用

图4 课桌构件 图5 课桌装配图效果图

图6 桌面水平、接近垂直和下斜三个位置

（下转 页）

教室用新型课桌设计◇常州工程职业技术学院 王鑫铝

图1 传统教室课桌主要不足之处

技术创新

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由于激光的单色性、方向性、相干性好，亮度高等特点，使得激光成像具有极高的距离分辨率和速度分辨率。激光成像

的辐射在光频阶段，能够探测小目标物体 。激光成像可以同时获得目标的强度像、距离像及多普勒像，三维成像激光系统则是将目标回波的二维信息和距离像合成目标图像的一种成像方

法 ，每一个像素点对应着一组三维坐标，目标的二维信息可以通过二维扫描器件来获得。

激光成像系统的抗干扰能力强，并且能够探测隐藏的目标，将三维成像激光成像系统经过小型、低功耗、低成本和便携式应用方向发展后，应用在机器人视觉系统中，不仅可以完成探测地形、隐身飞机、潜艇、水雷及目标跟踪等军事任务，在民用方面，可以用于车辆自动驾驶系统，铁路、隧道、涵洞

施工中高精密三维测量 。以智能机器人、无人车或无人机复杂环境多尺度、深度感

知为应用背景，针对智能机器人、无人车或无人机的三维视觉环境感知和理解系统，研制一套低成本、高距离分辨率、高清

晰激光成像系统作为其视觉系统 。在野外环境下主动获取障碍物、道路、地形(斜坡、坑洼)、草丛下隐蔽物等三维距离图像，为无人车或自主移动机器人提供未知复杂环境的高精度高清晰三维图像信息，以便人工智能电脑进行判断和决策 。

激光成像的工作原理是利用二维扫描器件，如旋转多面棱

镜、X-Y二维检流计式扫描振镜、MEMS振镜等 ，使激光器发射的激光束传输到目标区域进行扫描，同时将从目标反射回来的信号传输到光电探测器件上，从而提取目标的距离、方位、

轮廓、强度等信息，实现对目标的成像 。本文提出了一种利用mems振镜作为扫描器件的三维扫描成

像激光成像系统，对系统中扫描器件mems振镜的扫描角度特性经行了研究和试验验证。

本文激光成像系统采用的是脉冲型飞行时间法（pulsed time-of-flight methodology）体制，脉冲型飞行时间法是基于对激光或其它光源脉冲飞行时间的直接测量，是直接探测体制的一种。测量时，脉冲对象被反射回接收传感器和一个参考脉冲通过光纤耦合，由传感器接收。两个脉冲之间的时间差转换为距离。

飞行时间法的典型分辨率约为1 mm。由于二极管激光器和

高分辨率电子能产生亚皮秒脉冲，亚毫米分辨率是可以实现的。最新发表的时间相关单光子计数法在距离为1m内具有深入

重复性小于30 的分辨率 。扫描系统的扫描机制采用MEMS振镜扫描，具体系统框图

如图1所示。

该系统包括统一的时钟、驱动源、脉冲激光器、偏振开关控制收发系统、MEMS振镜扫描系统、光电探测器以及数据采集系统。从激光成像系统获得的数据可显示给使用者并且（或者）无线传输到数据收集计算机进行进一步的处理 。

其中脉冲激光器在控制系统时钟指令发出后发出脉冲激光，光信号准直后经过1/2波片变成线偏振光入射到偏振分束镜上，偏振态匹配后的线偏振光透过偏振分束镜，再经过一个1/4波片照射到mems振镜上扫描目标物体，这束光由目标反射回来后，再经1/4波片，由于此时光信号已经两次经过1/4波片，因此使得光的偏振态发生了变化，回波光信号偏转了90°，在经过偏振分束棱镜后则被完全反射，由探测器接收。

被探测器接收到的回波脉冲信号经过信号处理系统，进行时刻鉴别确定脉冲接收的时刻，和系统时钟进行比较，可以得到从发射到照射至目标并返回至探测器所经过的时间间隔，进而得到发射机与目标间的距离信息。与此同时，通过统一的时钟，可以确定脉冲发出时刻二维MEMS振镜扫描的目标所处的二维坐标信息，融合之前得到的距离信息，就可以精确测量出目标表面的三位形貌信息。

本实验现已进入原理样机实验阶段，原理实验装置图如下所示。

[1]

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[2]

[3]

[1]

[4]

[5,6]

[2]

[3]

1 基于mems振镜的三维扫描激光成像系统

图1 基于MEMS的激光成像系统原理框图

一种收发合置的激光成像系统◇辽宁轻工职业学院 曲凤明

本文提出了一种收发合置的激光成像系统，详细讨论了该系统的体制及原理，分析各个关键器件，在实验室环境下搭建了光学系统，并对该系统收发效率进行了测定，得到输出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。

图2 mems扫描激光成像系统 图3 mems振镜和回波反射镜

图4 thorlabs公司3毫米规格偏振分束棱镜

图5 PE165012型MEMS

表1输出功率与回波功率效率从右自左依次是脉冲激光光源、定位光阑1、1/2波片、偏振分束棱镜、定位光阑2、1/2波片、mems扫描振镜以及用于模拟物体回波的反射镜。

原理实验过程如下：脉冲激光光源发出激光脉冲，经过1/2波片调整偏振态后通过偏振分束棱镜，再通过1/4波片后将脉冲光偏振态改变，后通过mems振镜扫描出射，初涉光反射回mems振镜，再次通过1/4波片，两次通过1/4波片后的回波光信号和通过偏振分束棱镜的出射光信号偏振态相差90°，因此被偏振分束棱镜全反射，接收器的位置拟定位于偏振分束棱镜侧面，即实验装置拍照方向，其中，偏振分束棱镜选用thorlabs公司的3毫米规格偏振分束棱镜，其消光比可以达到1000:1。

MEMS扫描振镜选择台湾OPUSMicro公司的PE165012型二维MEMS扫描振镜。

基于前文所搭建的系统，我们对发射端出射功率以及接收处回波功率进行测试。

为了测试系统效率，我们用在30米处用金镜接收并反射回波，其中，镀金合作目标镜处的接收功率为输出功率 ，其与激

光器初始输出功率 比值为输出效率，接收功率为信号回波功率P，其与 比值为回波接收效率。

四组数据取平均值，可得输出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。

本文提出并搭建了基于飞行时间法的mems振镜的三维扫描激光成像系统，并讨论了其各个子系统的关键问题，选择适宜偏振隔离收发系统的光学器件，调试光路进行测试；经测量输出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。

由于光路搭建及测试完全在实验条件下进行，并没有考虑光信号在脱离系统后在外界条件下传输的损耗问题，因此实际应用时本系统的输出效率和接受效率可能会有所下降。

2 基于mems振镜的三维扫描激光成像系统

3 结论

P

PP

1

0

1

【参考文献】[1] 徐敲阳,杨坤涛,王新兵,等.蓝绿激光雷达海洋探测.北

京:国防工业出版社,2002[2] J. Lee,Y.-J. Kim,K. Lee,S. Lee,and S.-W. Kim,Time-of-

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[3] 董光焰,刘中杰.光学MEMS微镜技术及其在激光雷达中的应用[J]. 中国电子科学研究院学报

[4] K. M. Morzinski,D. T. Gavel,A. P. Norton,D. R. Dillon,and M. R. Reinig,Characterizing MEMS deformable mirrors foropen-loop operation: High-resolution measurements of thin-platebehavior[J]. Proc. SPIE MEMS Adaptive Optics II,2008,Vol. 6888,68880S

[5] L. A. Poyneer and D. Dillon， MEMS adaptive optics forthe Gemini Planet Imager: control methods and validation[J]. Proc.SPIE Advances in Adaptive Optics II,2008,Vol. 6888, 68880H

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技术创新

（上接75页） [1] 齐文斌,张玮.基于高斯－厄米特粒子漂移的机动目标跟踪算法[J].微电子学与计算机,2009,26(10)

[2] 官鑫,王黎,高晓蓉,等.图像边缘检测 Sobel 算法的 FPGA仿真与实现[J].现代电子技术,2009,32(8):109-111

[3] 崔跃.FPGA 在图像处理中的应用[J].中国新通信,2008(9):68-71

结果。通过主观观察，硬件系统处理结果与软件处理结果相同；通过实际图像数据对比，硬件系统处理结果也与软件处理结果相同，验证了本系统图像边缘检测功能的正确性。

将本系统边缘检测模块仿真处理时间与其他系统进行比较，突出本系统较高的图像处理速率，并对边缘检测系统做了实际图像的测试与验证，证明实现的系统功能达到了设计要求。

的边缘检测

【参考文献】

本文为江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目，江苏省高等学校实验室研究会课题