Simulink中搭建圖像的采集與輸出模型案例分析

圖像屬于二維信號(hào)，如果想在Simulink中采集和輸出圖像，進(jìn)行圖像處理算法的仿真時(shí)會(huì)遇到一些問題。本文將介紹如何搭建圖像的采集與輸出模型。

采集圖像需要解決的問題

Computer Vision System Toolbox中包含兩個(gè)模塊：Image From File可以讀取圖片格式的文件；Video Viewer可以輸入圖像并顯示（類似于Scope觀察信號(hào)波形一樣）。

但是Image From File一次讀出的便是完整的圖片信息，是一個(gè)向量形式，而Gateway In只能接收標(biāo)量數(shù)據(jù)的輸入（即單個(gè)數(shù)據(jù)）。如果將兩者直接相連，會(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)誤：

Image From File讀取一個(gè)256*256大小的圖像，讀出數(shù)據(jù)為一個(gè)256*256*3的數(shù)據(jù)（RGB三個(gè)通道），這個(gè)數(shù)據(jù)不能直接輸入到FPGA中。我們需要利用Simulink提供的功能豐富的block完成數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。

圖像采集實(shí)現(xiàn)

在Simulink中添加block按下圖連接：

下面以列表的形式給出每個(gè)block的作用（以讀取256*256的RGB圖像為例，工作空間中設(shè)置變量ImSize=256）：

●Image From File：讀取圖像：

“File name”設(shè)置圖片文件路徑；“Sample time”設(shè)置為ImSize*ImSize即只做一次完整的圖像采集；“Image signal”設(shè)置為Separate color signals可以獨(dú)立輸出圖像的R、G、B三個(gè)通道，每個(gè)通道都是256*256大小。

●Math Function：該block可以運(yùn)行一些基本的數(shù)學(xué)函數(shù)（如指數(shù)、對數(shù)、平方等），這里設(shè)置為Transpose，計(jì)算圖像的轉(zhuǎn)置矩陣。

●Convert 2-D to 1-D：該block可以將二維數(shù)組重新按一維數(shù)組的順序排列，從矩陣的列開始轉(zhuǎn)換，如下圖例子所示：

由于圖像處理算法大多都是以行為單位，因此在前面加了一個(gè)Math Function模塊求轉(zhuǎn)置矩陣，這樣在轉(zhuǎn)換后的一維數(shù)組中便是按圖像的每一行依次排列。

●Frame Conversion和Unbuffer：這兩個(gè)block配合使用，將一維數(shù)組（向量）轉(zhuǎn)換為Gateway In可以接收的標(biāo)量形式。示例如下：

Unbuffer將幀格式（frame）轉(zhuǎn)換為標(biāo)量數(shù)據(jù)；Frame Conversion的作用便是將一維數(shù)組以幀格式采樣輸出，即將一副圖像共（256*256=）65536個(gè)數(shù)據(jù)打包為一幀，再由Unbuffer轉(zhuǎn)換為標(biāo)量。

●Data Type Conversion：目前的RGB圖像每個(gè)通道大多都是uint8格式，該模塊將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為uint8。

●Unit Delay：延時(shí)一個(gè)單位，數(shù)據(jù)緩存。

●Gateway In：讀取uint8格式的圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為UFix_8_0。

圖像輸出實(shí)現(xiàn)

圖像輸出的流程恰好與圖像采集相反，是為了將FPGA處理后的標(biāo)量數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換組織成圖片的數(shù)組形式。在Simulink中添加block按下圖連接：

下面以列表的形式給出每個(gè)block的作用（以輸出256*256的RGB圖像為例，工作空間中設(shè)置變量ImSize=256）：

●Data Type Conversion：Simulink從Gateway Out讀出的數(shù)據(jù)會(huì)默認(rèn)轉(zhuǎn)換為double，這里加入該block將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的uint8格式。

●Buffer：與Unbuffer作用相反，將標(biāo)量數(shù)據(jù)重新組織為指定幀格式輸出。示例如下：

雙擊配置該block，將“Output buffer size”設(shè)置為ImSize*ImSize，即每幅圖像的數(shù)據(jù)為一幀。

●Convert 1-D to 2-D：將一維數(shù)組重新整理為指定格式的二維數(shù)組，示例如下：

雙擊配置該block，將“Number of output rows”和“Number of output columns”都設(shè)置為ImSize，即以256*256的格式輸出。

●Math Function：由上圖可知，整形為二維數(shù)組后，原本圖像的每一行數(shù)據(jù)變成了矩陣的每一列。因此需要加入此模塊再求一此轉(zhuǎn)置矩陣，得到原圖像的數(shù)據(jù)排列方式。

●Video Viewer：雙擊打開，點(diǎn)擊File->Image Signal->Separate Color Signals，即可分別輸入R、G、B三個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

打包子系統(tǒng)

可以看到上面的整個(gè)模型已經(jīng)很龐大，因此將圖像采集部分和圖像輸出部分分別打包為子系統(tǒng)。選中對應(yīng)部分，右鍵->Create Subsystem from selection。代開子系統(tǒng)，修改IN/OUT管腳的名稱為R、G、B。此時(shí)系統(tǒng)整體連接如下圖：

在System Generator和Gateway In中將采樣時(shí)間設(shè)置為1S；Simulink仿真時(shí)長設(shè)置為256*256，即保證采集完一幅圖像。再添加一個(gè)Video Viewer觀察原始圖片。運(yùn)行仿真，結(jié)果如下：

輸入與輸出圖片相同，表明結(jié)果正確。如果需要進(jìn)行數(shù)字圖像處理算法的仿真驗(yàn)證，在其中加入其它block實(shí)現(xiàn)算法即可。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像的采集與輸出，使仿真時(shí)的結(jié)果更直觀，更容易觀察算法效果，大大提升了仿真效率。

編輯：hfy