图像的边缘是指图像灰度变化剧烈的地方,具有丰富的信息量,所以在图像处理技术中,图像边缘检测技术占据了重要的地位,在航天、交通、人工智能、医学等领域广泛应用。由于图像的信息量巨大,在实时系统中不易使用一般的串行软件完成图像处理,而硬件以其独特的并行处理方式,提高了处理速度,为图像处理技术提供了全新的工具。但是传统的硬件处理系统存在价格高,难以重复使用的缺点,上个世纪八十年代XLINX公司发明的现场可编程门电路(Field Programmable Gate Array,FPGA)以其高速的处理速度,丰富的逻辑资源和重复使用的灵活性,逐渐成为图像处理技术的宠儿。本文使用Cyclone IV FPGA芯片设计了基于Sobel算子的边缘检测系统。系统划分为六大模块：时钟控制模块、图像采集模块、图像处理模块、数据缓存模块、显示模块和按键控制模块。系统工作时,时钟控制模块向其他模块提供准确的同步时钟与全局复位信号。在时钟的驱动下,图像采集模块开始配置摄像头寄存器并拼接采集到的数据,将这些数据发送到图像处理模块中。数据在图像处理模块中经过中值滤波、边缘检测和腐蚀膨胀操作后,送到缓存模块。缓存模块完成图像处理模块与显示模块之间的跨时钟域传输,将信号传入到视频图形阵列(Video Graphics Array,VGA)接口,并将边缘检测结果显示在屏幕上。按键控制模块用来控制边缘检测的阈值大小,完成可变阈值的边缘检测。设计的难点在于摄像头寄存器的配置,Sobel算法的实现和同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)的控制。设计中使用移位寄存器简化了像素邻域的生成,同时使用一种快速的中值滤波算法,加快了系统处理速度。在边缘检测时,使用外置按键实现了动态阈值边缘检测,检测过后使用腐蚀膨胀算法加强了边缘检测的结果。在SDRAM控制器中使用乒乓Bank缓存方式提高了图像输出的流畅度和SDRAM存储资源的利用率。各个模块通过Modelsim仿真验证功能,并使用SignalTap Ⅱ抓取芯片实时信号,进行数据分析。经过验证,本文可以完整的实现480*640@60HZ的实时图像边缘检测功能。