中值濾波的原理和快速算法及利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)

中值濾波的原理和快速算法及利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)引言現(xiàn)代圖像處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求愈來(lái)愈高，但圖像的前端采集往往會(huì)受器件或環(huán)境影響而使獲得的圖像含有噪聲，因而需要在對(duì)圖像處理前進(jìn)行去噪聲處理。若使用通用的軟件方法，由于處理過(guò)程需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)單計(jì)算，因此會(huì)消耗不少時(shí)間而影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，用FPGA來(lái)完成中值濾波這類(lèi)運(yùn)算簡(jiǎn)單但數(shù)據(jù)量巨大的處理，無(wú)疑是一種理想的選擇。1、中值濾波的原理和快速算法1.1中值濾波原理中值濾波是一種非線(xiàn)性空域?yàn)V波方法。它是可以有效抑制圖像噪聲，提高圖像信噪比的非線(xiàn)性濾波技術(shù)。中值濾波首先對(duì)鄰域點(diǎn)的灰度進(jìn)行排序，然后選擇中間值作為輸出灰度值。與均值濾波器和其他線(xiàn)性濾波器相比，中值濾波可以很好的濾除脈沖噪聲（ImpulsiveNoise）和椒鹽噪聲（SaltandPepperNoise）。同時(shí)能夠很好的保護(hù)圖像邊緣輪廓的細(xì)節(jié)。中值濾波的公式如下：其中，g（x，y），f（x，y）為像素灰度值，S為模板窗口。中值濾波的過(guò)程一般為：（1）選擇一個(gè)（2n+1）（2n+1）的窗口（一般是3×3或者5×5），使窗口沿圖像數(shù)據(jù)的行方向和列方向從左至右、從上至下沿每個(gè)像素滑動(dòng)。（2）每次滑動(dòng)后，對(duì)窗口內(nèi)的像素灰度進(jìn)行排序，并用中間值代替窗口中心位置的像素灰度值。1.2快速中值濾波算法中值濾波算法的核心是快速求出中間灰度值。傳統(tǒng)的排序法如冒泡法，運(yùn)算量巨大。而用硬件實(shí)現(xiàn)不僅要消耗大量的資源，而且運(yùn)算速度很慢，難以滿(mǎn)足圖像系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性要求。本文針對(duì)大小為3×3的窗口采用了一種快速排序算法，可以在很大程度上減少運(yùn)算量，且易于用較少的硬件資源實(shí)現(xiàn)。圖1所示是一個(gè)3×3窗口內(nèi)的像素排列方式，該窗口將窗口內(nèi)的各個(gè)像素點(diǎn)從左至右，從上至下依次定義為D11、D12、D13、D21、D22、D23、D31、D32、D33。處理時(shí)，先分別對(duì)每一行的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，以得到每一行的最大值、中間值和最小值。其中第一行得到的最大值為：Max1=max{D11，D12，D13}；中間值為：Med1=med{D11，D12，D13}；最小值為：Min1=min{D11，D12，D13}；同樣，也可得到第二行的三個(gè)值Max2，Med2，Min2和第三行的三個(gè)值Max3，Med3，Min3。由于在上述這九個(gè)數(shù)中，三個(gè)最大值中的最大值一定是九個(gè)像素值的最大值。同理，三個(gè)最小值中的最小值一定是九個(gè)像素值中的最小值。三個(gè)中值中的最大值至少大于五個(gè)像素值；即本行的最小值和其他兩行中的中值及最小值。而三個(gè)中值中的最小值至少小于五個(gè)像素值；即本行的最大值和其他兩行的中值和最小值。所以，比較三個(gè)最大值中的最小值Min_of_max、三個(gè)中值中的中間值Med_of_med以及三個(gè)最小值中的最大值Max_of_min，所得到的中間值就是最終的濾波結(jié)果Meddata。其具體過(guò)程如下；雖然，與傳統(tǒng)的排序方法相比，這種方法的比較次數(shù)大大減少。因?yàn)榍蟪鲋兄抵挥昧?9次比較運(yùn)算，因而十分方便在FPGA上進(jìn)行并行處理。2、圖像預(yù)處理系統(tǒng)和中值濾波器的設(shè)計(jì)2.1圖像預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)圖像的預(yù)處理，一般應(yīng)在前端采集之后立即進(jìn)行。圖2給出了一個(gè)圖像預(yù)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。圖2中，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)前端設(shè)備采集并經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)化后，可存人雙口RAM中的一端。然后在選擇控制模塊的控制下將雙口RAM中的幀數(shù)據(jù)提供給中值濾波模塊，同時(shí)在雙口RAM的另一端存人另一幀圖像數(shù)據(jù)。接著將中值濾波處理后的圖像數(shù)據(jù)存入SDRAM中，以供后續(xù)的進(jìn)一步處理。雙口RAM的容量只要可以存儲(chǔ)兩幀圖像數(shù)據(jù)即可。2.23×3窗口模塊中值濾波作為圖像預(yù)處理的一部分，其實(shí)時(shí)性是一個(gè)關(guān)鍵的要求。它要求濾波器能快速、連續(xù)的處理圖像數(shù)據(jù)。中值濾波的第一個(gè)問(wèn)題是要準(zhǔn)確獲得3×3窗口中的圖像灰度數(shù)據(jù)。圖3給出了該濾波器的設(shè)計(jì)框圖。圖3中的濾波器用到了兩個(gè)FIFO。這種設(shè)計(jì)可采用QuartusII中的Megacore實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為一行數(shù)據(jù)（即256）。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，先對(duì)FIFO2寫(xiě)第一行圖像數(shù)據(jù)，寫(xiě)滿(mǎn)后再對(duì)FIFO1寫(xiě)第二行圖像數(shù)據(jù)，直到FIFO1也寫(xiě)滿(mǎn)。在此期間，F(xiàn)IFO1和FIFO2只寫(xiě)不讀。當(dāng)完成兩行數(shù)據(jù)的寫(xiě)人后，將數(shù)據(jù)輸入端和FIFO1、FIFO2如圖2所示進(jìn)行連接，此時(shí)的FIFO1和FIFO2只讀不寫(xiě)，待三個(gè)時(shí)鐘周期后，將FIFO1和FIFO2設(shè)為既讀又寫(xiě)。這樣，在寄存器輸出端和兩個(gè)FIFO的輸出端即可獲得第一個(gè)3×3模板中的圖像灰度數(shù)據(jù)。此后，隨著圖像數(shù)據(jù)的輸人，模板也沿著圖像從左至右、從上至下移動(dòng)。2.3模板中的數(shù)據(jù)排序數(shù)據(jù)排序可分為三步。第一步是對(duì)每行的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。第二步是對(duì)第一步所得到的大值組、中值組、小值組進(jìn)行排序。第三步是對(duì)第二步所得到的大值組中的最小值、中值組中的中值、小值組中的最大值進(jìn)行排序，最后得到中值。具體用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，可采用流水線(xiàn)技術(shù)和并行處理方式。每一次數(shù)據(jù)排序的一個(gè)比較運(yùn)算完成后，就把數(shù)據(jù)賦給下一級(jí)寄存器，并在下一個(gè)時(shí)鐘周期做進(jìn)一步處理。而該級(jí)寄存器則同時(shí)接收上一級(jí)寄存器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)中共用了8級(jí)流水線(xiàn)，同時(shí)并行處理三行圖像數(shù)據(jù)的排序。這樣，在獲得第一個(gè)窗口數(shù)據(jù)后再經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘周期后，就可隨著模板的移動(dòng)連續(xù)地獲得中值了。另外，要注意的一點(diǎn)是中值濾波算法不能對(duì)圖像邊緣進(jìn)行處理。而普遍的方法是把邊緣處的灰度設(shè)為0，具體電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加一個(gè)計(jì)數(shù)模塊，以便確定此時(shí)的像素點(diǎn)是在圖像邊緣，這樣就不用計(jì)算面將其直接設(shè)為0即可。這一點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)的。3、硬件實(shí)現(xiàn)及結(jié)果整個(gè)設(shè)計(jì)可采用VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，并在QuartusII6.0上實(shí)現(xiàn)，也可用Modelsim進(jìn)行前后仿真。以便得到較高的處理速度。該設(shè)計(jì)可分別在ALTERA公司的CycloneII，CycloneIII，Stratix，StratixII器件上實(shí)現(xiàn)。表1列出了在各個(gè)器件族上進(jìn)行全編譯后的最大時(shí)鐘頻率。由表1可見(jiàn)，中值濾波即使在低級(jí)別CycloneII器件上，也可以達(dá)到163.03MHz的時(shí)鐘速率。而在最新的CycloneIII器件上則可達(dá)到242.54MHz，在更高級(jí)的StratixII器件上則高達(dá)278.32MHz。這樣以最高時(shí)鐘處理一幅256×256×8bit的灰度圖像只需236μs。圖4所示是使用該設(shè)計(jì)在CycloneII平臺(tái)上對(duì)一幅256×256×8bit的灰度圖像進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，圖4（a）在原圖上加了椒鹽噪聲（saltandpeppernoise）。圖4（b）是經(jīng)中值濾波處理后的圖像?？梢钥闯?，中值濾波器對(duì)椒鹽噪聲有良好的濾除作