本發(fā)明涉及灰度圖像濾波領(lǐng)域，具體涉及一種基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化算法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和數(shù)字圖像處理在各個(gè)領(lǐng)域愈加廣泛的應(yīng)用，在一些實(shí)時(shí)檢測(cè)場(chǎng)合，對(duì)于圖像數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、并行性要求越來(lái)越高。通常，圖像信號(hào)在形成、存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于成像系統(tǒng)、存儲(chǔ)設(shè)備、傳輸介質(zhì)和工作環(huán)境的固有缺陷，或者由于傳感器瞬間失常和信道噪聲造成的隨機(jī)干擾，使得圖像質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響后續(xù)處理的效果。為了消除噪聲，提高圖像質(zhì)量，必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波、平滑等預(yù)處理操作，但傳統(tǒng)濾波算法在數(shù)據(jù)排序量較大的情況下，通常無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。隨著電子技術(shù)工藝的不斷革新，基于查找表結(jié)構(gòu)的可編程邏輯器件-現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)的飛速發(fā)展為提升圖像濾波的性能提供了新的思路和方法，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。與通用dsp相比，fpga以其靈活的并行執(zhí)行架構(gòu)在大量應(yīng)用場(chǎng)合中表現(xiàn)出優(yōu)于通用dsp的串行執(zhí)行架構(gòu)的性能，能夠有效地進(jìn)行并行運(yùn)算和流水作業(yè)，顯著提高圖像數(shù)據(jù)的處理速度，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化算法及其系統(tǒng)。為達(dá)該目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化方法，包括以下步驟：

s1：設(shè)立頂層輸入輸出端口，將底層的各個(gè)功能控制模塊通過(guò)連線銜接起來(lái)；

s2：將圖像數(shù)據(jù)從輸入端口依次輸入，存放在濾波窗口當(dāng)中；隨著圖像數(shù)據(jù)的不斷輸入，所述濾波窗口逐漸滑過(guò)整幅圖像，進(jìn)而得到并處理圖像中的所有像素；

s3：獲取開(kāi)始信號(hào)之后的第一個(gè)中心像素點(diǎn)，并計(jì)算所述中心像素點(diǎn)的行、列位置信息，確定從所述窗口模板中獲得的數(shù)據(jù)在完整圖像中的行列位置，以及窗口是否到達(dá)邊緣或者是否傳輸完畢，從而進(jìn)行邊緣控制；

s4：運(yùn)用中值濾波優(yōu)化算法對(duì)所述圖像進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化方法，其中，所述步驟s2包括：圖像數(shù)據(jù)以時(shí)鐘周期為基準(zhǔn)，從輸入端口依次輸入，通過(guò)7個(gè)移位寄存器和2個(gè)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，使得9個(gè)數(shù)據(jù)存放在3×3濾波窗口當(dāng)中。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化方法，其中，生成所述濾波窗口的步驟包括：

s21：根據(jù)中心像素點(diǎn)得到其所在的行、列位置信息；

s22：根據(jù)開(kāi)始信號(hào)設(shè)計(jì)得到獲取數(shù)據(jù)的有效時(shí)間序列；

s23:在讀取數(shù)據(jù)的有效時(shí)序內(nèi)，得到窗口內(nèi)的所有元素?cái)?shù)據(jù)；

s24：將圖像的邊界保持不變。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化方法，其中，所述步驟s3還包括：當(dāng)所述濾波窗口執(zhí)行到圖像邊緣時(shí)會(huì)覆蓋圖像外的一部分，使得中值濾波優(yōu)化算法無(wú)法順利執(zhí)行，此時(shí)對(duì)濾波操作進(jìn)行行列計(jì)數(shù)控制，在所述濾波窗口移動(dòng)到圖像邊緣時(shí)將輸出保持不變。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化方法，其中，所述步驟s4中的中值濾波優(yōu)化算法包括：

s41：9個(gè)輸入數(shù)據(jù)在第一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式，分別將三行數(shù)值輸入三級(jí)三點(diǎn)比較器進(jìn)行降序排序，輸出每行的最大值、中間值、最小值；

s42：在第二個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，以各行中值的大小為基準(zhǔn)進(jìn)行行間排序，即對(duì)各行中值進(jìn)行三點(diǎn)比較；

s43：在第三個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式對(duì)第二行和第三行的最大值進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)第一行和第二行的最小值進(jìn)行比較，分別輸出比較結(jié)果的最小值和最大值；

s44：在第四個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，將步驟s43中的比較結(jié)果的輸出和窗口中心像素輸入三點(diǎn)比較器進(jìn)行三點(diǎn)比較，最后取得中值。

本發(fā)明同時(shí)還提供一種基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

頂層模塊，用于設(shè)立頂層輸入輸出端口，將底層的各個(gè)功能控制模塊通過(guò)連線銜接起來(lái)；

濾波窗口模塊，與所述頂層模塊相連，用于將圖像數(shù)據(jù)從輸入端口依次輸入，存放在濾波窗口當(dāng)中；隨著圖像數(shù)據(jù)的不斷輸入，所述濾波窗口逐漸滑過(guò)整幅圖像，進(jìn)而得到并處理圖像中的所有像素；

中值濾波模塊，與所述濾波窗口模塊相連，用于運(yùn)用中值濾波優(yōu)化算法對(duì)所述圖像進(jìn)行優(yōu)化；

行列計(jì)數(shù)器模塊，與所述濾波窗口模塊相連，用于獲取開(kāi)始信號(hào)之后的第一個(gè)中心像素點(diǎn)，并計(jì)算所述中心像素點(diǎn)的行、列位置信息，確定從所述窗口模板中獲得的數(shù)據(jù)在完整圖像中的行列位置，以及窗口是否到達(dá)邊緣或者是否傳輸完畢，從而進(jìn)行邊緣控制。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述濾波窗口模塊供圖像數(shù)據(jù)以時(shí)鐘周期為基準(zhǔn)，從輸入端口依次輸入，通過(guò)7個(gè)移位寄存器和2個(gè)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，使得9個(gè)數(shù)據(jù)存放在3×3濾波窗口當(dāng)中。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述濾波窗口模塊中生成所述濾波窗口的步驟包括：

s21：根據(jù)中心像素點(diǎn)得到其所在的行、列位置信息；

s22：根據(jù)開(kāi)始信號(hào)設(shè)計(jì)得到獲取數(shù)據(jù)的有效時(shí)間序列；

s23:在讀取數(shù)據(jù)的有效時(shí)序內(nèi)，得到窗口內(nèi)的所有元素?cái)?shù)據(jù)；

s24：將圖像的邊界保持不變。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述行列計(jì)數(shù)器模塊用于當(dāng)所述濾波窗口執(zhí)行到圖像邊緣時(shí)對(duì)濾波操作進(jìn)行行列計(jì)數(shù)控制，在所述濾波窗口移動(dòng)到圖像邊緣時(shí)將輸出保持不變。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述中值濾波模塊中的中值濾波優(yōu)化算法包括：

s41：9個(gè)輸入數(shù)據(jù)在第一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式，分別將三行數(shù)值輸入三級(jí)三點(diǎn)比較器進(jìn)行降序排序，輸出每行的最大值、中間值、最小值；

s42：在第二個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，以各行中值的大小為基準(zhǔn)進(jìn)行行間排序，即對(duì)各行中值進(jìn)行三點(diǎn)比較；

s43：在第三個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式對(duì)第二行和第三行的最大值進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)第一行和第二行的最小值進(jìn)行比較，分別輸出比較結(jié)果的最小值和最大值；

s44：在第四個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，將步驟s43中的比較結(jié)果的輸出和窗口中心像素輸入三點(diǎn)比較器進(jìn)行三點(diǎn)比較，最后取得中值。

本發(fā)明可用于灰度圖像濾波領(lǐng)域，在有效對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波的同時(shí)，大大提升系統(tǒng)的處理速度。與傳統(tǒng)中值濾波處理算法相比，本發(fā)明能夠節(jié)約硬件資源，濾波效果好且實(shí)時(shí)性高，大大提升中值濾波的處理速度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于fpga的灰度圖像中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明中3×3濾波窗口的生成原理框圖；

圖3為本發(fā)明的中值濾波優(yōu)化算法原理框圖；

圖4為通過(guò)modelsim仿真得到的現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的圖像濾波對(duì)比圖，其中圖4(a)為添加椒鹽噪聲的圖像，圖4(b)為matlab仿真計(jì)算結(jié)果，圖4(c)為本發(fā)明的處理結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

中值濾波是一種典型的非線性信號(hào)處理方法，與其它線性濾波器相比，它能夠很好的消除隨機(jī)噪聲及脈沖干擾，同時(shí)在很大程度上保護(hù)目標(biāo)圖像邊緣等細(xì)節(jié)信息，且運(yùn)算簡(jiǎn)單、重復(fù)性強(qiáng)。作為常用的圖像濾波方法，中值濾波算法存在較大的并行性，而vhdl硬件描述語(yǔ)言具有多層次設(shè)計(jì)描述功能，可以通過(guò)簡(jiǎn)潔的代碼描述復(fù)雜的邏輯控制，支持設(shè)計(jì)庫(kù)和可重復(fù)使用的元件生成，具有不依賴于器件的可移植性。因此本發(fā)明針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)中值濾波算法進(jìn)行優(yōu)化，并提供了基于fpga的實(shí)現(xiàn)方案。

本發(fā)明提出的中值濾波優(yōu)化系統(tǒng)主要分為頂層模塊、3×3窗口生成模塊、中值濾波優(yōu)化算法模塊和行列計(jì)數(shù)器模塊。頂層模塊負(fù)責(zé)將底層的各個(gè)功能控制模塊通過(guò)連線銜接起來(lái)。3×3窗口生成模塊用于生成濾波滑動(dòng)窗口，獲取窗口內(nèi)的所有圖像像素；行列計(jì)數(shù)器模塊負(fù)責(zé)確定數(shù)據(jù)在一副圖像中的行列位置，以及窗口是否到達(dá)邊緣或者是否傳輸完畢，完成圖像行列計(jì)數(shù)功能；最后通過(guò)中值濾波優(yōu)化算法模塊處理得出中值。整個(gè)圖像濾波環(huán)節(jié)通過(guò)中值濾波優(yōu)化算法進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波，極大的減少了運(yùn)行時(shí)間，提高了圖像濾波的處理速度。

結(jié)合圖1說(shuō)明所示，本發(fā)明首先建立頂層模塊，然后生成3×3滑動(dòng)濾波窗口，再生成行列計(jì)數(shù)器模塊，最后生成中值濾波優(yōu)化算法模塊，從而得出中值。

本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：

a1)建立頂層模塊；

a2)生成3×3滑動(dòng)濾波窗口；

a3)生成行列計(jì)數(shù)器模塊；

a4)生成中值濾波優(yōu)化算法模塊；

步驟a1)中，設(shè)立頂層輸入輸出信號(hào)，將底層的各個(gè)功能控制模塊通過(guò)連線銜接起來(lái)。

步驟a2)中，圖像數(shù)據(jù)以時(shí)鐘周期為基準(zhǔn)，從輸入端口依次輸入，通過(guò)7個(gè)移位寄存器和2個(gè)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(fifo)，使得9個(gè)數(shù)據(jù)存放在3×3濾波窗口當(dāng)中(如圖2所示)。隨著圖像數(shù)據(jù)的不斷輸入，3×3窗口所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)不斷變化，即相當(dāng)于用一個(gè)3×3的窗口模板滑過(guò)整幅圖像，得到并處理圖像中的所有像素。生成3×3滑動(dòng)濾波窗口步驟包括：

a5)根據(jù)中心像素點(diǎn)得到其所在的行、列位置信息；

a6)根據(jù)該模塊的開(kāi)始信號(hào)設(shè)計(jì)得到獲取數(shù)據(jù)的有效時(shí)間序列；

a7)在讀取數(shù)據(jù)的有效時(shí)序內(nèi)，得到窗口內(nèi)的所有元素?cái)?shù)據(jù)；

a8)圖像的邊界問(wèn)題的特殊化處理，一般可以保持不變或置零。

所述的方法，步驟a3)中，生成行列計(jì)數(shù)器模塊，從系統(tǒng)模塊開(kāi)始信號(hào)之后獲取第一個(gè)中心像素點(diǎn)，并計(jì)算中心像素點(diǎn)的行、列位置信息。通過(guò)該模塊可以確定數(shù)據(jù)在一副圖像中的行列位置，以及窗口是否到達(dá)邊緣或者是否傳輸完畢，從而進(jìn)行邊緣控制。當(dāng)中值濾波執(zhí)行到圖像邊緣時(shí)，3×3窗口會(huì)覆蓋圖像外的一部分，使得中值濾波模塊無(wú)法順利執(zhí)行，此時(shí)行列計(jì)數(shù)器模塊對(duì)濾波操作進(jìn)行行列計(jì)數(shù)控制，在窗口移動(dòng)到圖像邊緣時(shí)將輸出保持不變。

所述的方法，步驟a4)中，生成中值濾波優(yōu)化算法模塊(如圖3所示)的步驟包括：

a9)9個(gè)輸入數(shù)據(jù)在第一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式，分別將三行數(shù)值輸入三級(jí)三點(diǎn)比較器進(jìn)行降序排序，輸出每行的最大值、中間值、最小值；

a10)在第二個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，以各行中值的大小為基準(zhǔn)進(jìn)行行間排序，即對(duì)各行中值進(jìn)行三點(diǎn)比較；

a11)在第三個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，采用并行方式對(duì)第二行和第三行的最大值進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)第一行和第二行的最小值進(jìn)行比較，分別輸出比較結(jié)果的最小值和最大值；

a12)在第四個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，將步驟a11)中的比較結(jié)果的輸出和窗口中心像素輸入三點(diǎn)比較器進(jìn)行三點(diǎn)比較，最后取得中值。

本發(fā)明首先利用matlab工具把一幅128×128的真彩圖像轉(zhuǎn)換成灰度值在0～255范圍內(nèi)的二維矩陣。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)使用vhdl硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)，以xilinx公司spartan-3e系列的xc3s500e為硬件平臺(tái)，時(shí)鐘頻率設(shè)定為50hz，在ise13.4的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)圖像的中值濾波。并轉(zhuǎn)化為modelsim11.0的測(cè)試向量文件，測(cè)試結(jié)果采用寫(xiě)文件的方式寫(xiě)入文件中，然后轉(zhuǎn)化為圖像矩陣顯示。

圖像濾波結(jié)果如圖4所示。通過(guò)人眼對(duì)matlab的仿真計(jì)算結(jié)果和本系統(tǒng)處理得到的結(jié)果進(jìn)行比較，得出該中值濾波優(yōu)化算法在合理利用硬件資源的基礎(chǔ)上，取得了較好的濾波效果。該中值濾波優(yōu)化算法在時(shí)鐘頻率50mhz下運(yùn)行時(shí)間為0.683ms，在matlab下運(yùn)行時(shí)間為12.658ms。顯然該算法在較好地實(shí)現(xiàn)濾波效果的同時(shí)，能夠滿足高實(shí)時(shí)性的要求，適用于圖像獲取和預(yù)處理系統(tǒng)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)施例中的裝置中的模塊可以按照實(shí)施例描述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。