Simulink中搭建图像的采集与输出模型案例分析

图像属于二维信号，如果想在Simulink中采集和输出图像，进行图像处理算法的仿真时会遇到一些问题。本文将介绍如何搭建图像的采集与输出模型。

采集图像需要解决的问题

Computer Vision System Toolbox中包含两个模块：Image From File可以读取图片格式的文件；Video Viewer可以输入图像并显示（类似于Scope观察信号波形一样）。

但是Image From File一次读出的便是完整的图片信息，是一个向量形式，而Gateway In只能接收标量数据的输入（即单个数据）。如果将两者直接相连，会出现如下错误：

 

 

Image From File读取一个256*256大小的图像，读出数据为一个256*256*3的数据（RGB三个通道），这个数据不能直接输入到FPGA中。我们需要利用Simulink提供的功能丰富的block完成数据之间的转换。

图像采集实现

在Simulink中添加block按下图连接：

 

 

下面以列表的形式给出每个block的作用（以读取256*256的RGB图像为例，工作空间中设置变量ImSize=256）：

●Image From File：读取图像：

 

 

“File name”设置图片文件路径；“Sample time”设置为ImSize*ImSize即只做一次完整的图像采集；“Image signal”设置为Separate color signals可以独立输出图像的R、G、B三个通道，每个通道都是256*256大小。

●Math Function：该block可以运行一些基本的数学函数（如指数、对数、平方等），这里设置为Transpose，计算图像的转置矩阵。

●Convert 2-D to 1-D：该block可以将二维数组重新按一维数组的顺序排列，从矩阵的列开始转换，如下图例子所示：

 

 

由于图像处理算法大多都是以行为单位，因此在前面加了一个Math Function模块求转置矩阵，这样在转换后的一维数组中便是按图像的每一行依次排列。

●Frame Conversion和Unbuffer：这两个block配合使用，将一维数组（向量）转换为Gateway In可以接收的标量形式。示例如下：

 

 

Unbuffer将帧格式（frame）转换为标量数据；Frame Conversion的作用便是将一维数组以帧格式采样输出，即将一副图像共（256*256=）65536个数据打包为一帧，再由Unbuffer转换为标量。

●Data Type Conversion：目前的RGB图像每个通道大多都是uint8格式，该模块将数据格式转换为uint8。

●Unit Delay：延时一个单位，数据缓存。

●Gateway In：读取uint8格式的图像数据，数据格式设置为UFix_8_0。

图像输出实现

图像输出的流程恰好与图像采集相反，是为了将FPGA处理后的标量数据重新转换组织成图片的数组形式。在Simulink中添加block按下图连接：

 

 

下面以列表的形式给出每个block的作用（以输出256*256的RGB图像为例，工作空间中设置变量ImSize=256）：

●Data Type Conversion：Simulink从Gateway Out读出的数据会默认转换为double，这里加入该block将数据转换为图像的uint8格式。

●Buffer：与Unbuffer作用相反，将标量数据重新组织为指定帧格式输出。示例如下：

 

 

双击配置该block，将“Output buffer size”设置为ImSize*ImSize，即每幅图像的数据为一帧。

●Convert 1-D to 2-D：将一维数组重新整理为指定格式的二维数组，示例如下：

 

 

双击配置该block，将“Number of output rows”和“Number of output columns”都设置为ImSize，即以256*256的格式输出。

●Math Function：由上图可知，整形为二维数组后，原本图像的每一行数据变成了矩阵的每一列。因此需要加入此模块再求一此转置矩阵，得到原图像的数据排列方式。

●Video Viewer：双击打开，点击File->Image Signal->Separate Color Signals，即可分别输入R、G、B三个通道的数据。

打包子系统

可以看到上面的整个模型已经很庞大，因此将图像采集部分和图像输出部分分别打包为子系统。选中对应部分，右键->Create Subsystem from selection。代开子系统，修改IN/OUT管脚的名称为R、G、B。此时系统整体连接如下图：

 

 

在System Generator和Gateway In中将采样时间设置为1S；Simulink仿真时长设置为256*256，即保证采集完一幅图像。再添加一个Video Viewer观察原始图片。运行仿真，结果如下：

 

 

输入与输出图片相同，表明结果正确。如果需要进行数字图像处理算法的仿真验证，在其中加入其它block实现算法即可。本系统实现了图像的采集与输出，使仿真时的结果更直观，更容易观察算法效果，大大提升了仿真效率。

编辑：hfy