使用VHDL語言設(shè)計的基于FPGA的實時NPR系統(tǒng)

摘 要： 在進行非真實感渲染（NPR）處理時需要大量的計算，這對高幀率、高分辨率的視頻做實時的NPR渲染是一個難題。根據(jù)FPGA以并行運算為主的特點，對傳統(tǒng)的NPR算法做了改進和簡化，最終設(shè)計了一種基于FPGA的實時NPR系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對高幀率、高分辨率的視頻做實時NPR處理具有運算速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點，同時還具有體積小、便于攜帶等優(yōu)點。
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0 引言

非真實感渲染（NON-photorealistic rendering，NPR）是計算機圖形學(xué)的一類技術(shù)，主要模擬藝術(shù)形式的畫面風(fēng)格，也用于發(fā)展新的繪制風(fēng)格。與傳統(tǒng)的追求真實感的計算機圖形學(xué)不同，NPR受到油畫、素描、技術(shù)圖紙和動畫卡通的影響。它已經(jīng)以卡通造影的形式出現(xiàn)在電影和電子游戲中。非真實感繪制技術(shù)從20世紀80年代開始興起，當(dāng)時的研究進展緩慢。直到90年代中期，尤其是EUROGRAPHICS和SIGGRAPH上關(guān)于這方面的幾篇論文才確立了這一領(lǐng)域的雛形[1]。近年來，NPR越來越多地被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，例如視頻通信、視頻游戲、精密程度較高的醫(yī)學(xué)和科學(xué)插圖[2]，由此可見高分辨率、實時的NPR系統(tǒng)越來越凸顯出重要的地位。

目前實現(xiàn)NPR處理主要有兩種途徑：一種是在PC機上進行處理[3-7]；另一種是在嵌入式系統(tǒng)中進行處理[8]。參考文獻[3]和參考文獻[4]主要在PC上針對單幅圖片做了NPR處理，參考文獻[5]利用OpenCV API在計算機上對圖片和視頻實現(xiàn)了抽象處理，參考文獻[6]和[7]則在PC上用特征流法和光流法等特定算法對視頻做了抽象處理。在NPR系統(tǒng)中，圖像濾波、邊緣檢測、色彩變化等都需要大量復(fù)雜的運算。因此在PC上很難對分辨率稍大或者幀率稍高的視頻做到實時處理。又由于PC機體積較大，不方便系統(tǒng)的移動，所以在嵌入式系統(tǒng)上做NPR是必然的趨勢。參考文獻[8]則是在一個以Xilinx Virtex-2 FPGA為核心的平臺上對單一圖片做了油畫處理，但是由于其平臺的限制，并未實現(xiàn)對視頻的實時處理。

本文在以Xilinx Virtex-5 FPGA為核心的自行設(shè)計的高速圖像處理平臺上，實現(xiàn)了對Camera Link接口相機采集到的視頻做實時的NPR渲染，并輸出到顯示器上進行顯示。本文首先對NPR算法進行講解，然后對系統(tǒng)和NPR算法的硬件結(jié)構(gòu)做出具體分析，最后給出實驗結(jié)果及結(jié)論。

1 算法描述

雖然NPR渲染的具體實現(xiàn)方法多種多樣，但是它們的處理流程大致相同。經(jīng)過大量的文獻查閱，主流的NPR渲染流程都要經(jīng)過邊緣增強、擴散濾波、量化光照信息三個步驟。本文也采用這種流程進行處理，每個步驟所采用的具體方法將在下面進行介紹。

1.1 邊緣增強

當(dāng)檢測到邊緣點之后，把邊緣點的RGB分量全部置為0，即可達到邊緣增強的效果。目前主流的邊緣檢測方法有差分邊緣檢測、Roborts算子、Prewitt算子、Kirsh算子、Laplace算子、LOG算子和Canny算子，考慮到在FPGA上實現(xiàn)的復(fù)雜性及資源利用率，本文采用的是Prewitt算子。

通常情況下，邊緣檢測每次只對圖像中3×3的圖像塊進行處理，如圖1（a）所示。圖像塊的第一行和第三行的差近似x方向的導(dǎo)數(shù)，第三列與第一列之差近似于y方向的導(dǎo)數(shù)[9]。如下所示：

Gx=（z7+z8+z9）-（z1+z2+z3）（1）

Gy=（z3+z6+z9）-（z1+z4+z7）（2）

上面就是Prewitt算子，Prewitt算子只有簡單的加減法，非常適合于FPGA實現(xiàn)。Prewitt算子模板如圖1（b）和（c）所示。

1.2 擴散濾波

NPR的另一個重要步驟是擴散濾波，它能模糊較小的不連續(xù)和突出的邊緣，并且達到圖像色彩擴散的效果。處理速度較快的經(jīng)典圖像濾波算法有鄰域平均法和中值濾波法等。由于要實現(xiàn)擴散濾波的效果且要兼顧FPGA的運算特點，本文決定采用鄰域平均法。鄰域平均法是把相鄰像素的相應(yīng)分量值的平均值作為中心點像素相應(yīng)分量值。若輸入圖像中某點的各分量值為f（j，k），以其為中心，取N×N的窗口像素組成的點集用A表示（其中N=3，5，7…）。經(jīng)鄰域平均法濾波后，像素f（j，k）對應(yīng)的輸出為[10]：

此算法的優(yōu)點在于算法簡單，適于在FPGA上實現(xiàn)，而且能達到色彩擴散的目的。

1.3量化光照信息