基于Stratix II EP2S60的改進(jìn)中值濾波器的設(shè)計及實現(xiàn)
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1 引言
眾所周知，在復(fù)雜背景條件下，要對弱小目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確有效地紅外跟蹤、探測是一個難題。這種情況下，由于目標(biāo)與背景的對比度較小、信噪比較低，若直接進(jìn)行跟蹤、探測往往比較困難，所以必須先對圖像信號進(jìn)行濾波預(yù)處理，以達(dá)到抑制背景噪聲。增加目標(biāo)強(qiáng)度，從而提高圖像信噪比的目的，為后續(xù)工作打下良好的基礎(chǔ)。
實時圖像處理器中，信號預(yù)處理包括對圖像的各種濾波、直方圖統(tǒng)計及均衡、圖像增強(qiáng)、灰度變換等，它們共同的特點是處理數(shù)據(jù)量大，如果用一般的軟件來實現(xiàn)勢必會比較慢。而對于一些實時性要求比較高的系統(tǒng)，處理速度往往是要考慮的關(guān)鍵因素，一旦速度跟不上，實時性也無從談起。針對圖像預(yù)處理階段運算結(jié)構(gòu)比較簡單的特點，用FPGA進(jìn)行硬件實現(xiàn)無疑是理想的選擇，這樣同時兼顧了速度和靈活性，大大減輕了DSP的負(fù)擔(dān)。
本系統(tǒng)采用Verilog HDL語言。利用一種快速的中值濾波改進(jìn)算法對電路進(jìn)行設(shè)計，并以Altera公司生產(chǎn)的Stratix II EP2S60F67214型FPGA芯片為硬件平臺。該器件繼承了Altera公司Stratix II系列的共同優(yōu)點，由于引入了嶄新的自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)，使得Stratix II有更高的性能和邏輯封裝、更少的邏輯和布線級數(shù)以及更強(qiáng)的DSP支持，而Stratix II EP2S60F67214更是比Xilinx公司的類似器件Virtex-4XC4VLX60多出18％的器件邏輯，其中包括51 182個寄存器位，2 544 129個存儲器位以及48 352個ALUT，該器件資源豐富，只需占用很小一部分實現(xiàn)中值濾波器，為后續(xù)設(shè)計的增長留有更多空間。
2 中值濾波的基本原理及改進(jìn)算法
2．1中值濾波的基本原理
中值濾波是由Tukey發(fā)明的一種非線性信號處理技術(shù)，早期用于一維信號處理，后來很快被用到二維數(shù)字圖像平滑中，是一種有效抑制圖像噪聲，提高圖像信噪比的非線性濾波技術(shù)。它是一種鄰域運算，類似于卷積，但計算的不是加權(quán)求和，而是把鄰域中的像素按灰度級進(jìn)行排序，然后選擇該組的中間值作為輸出像素值。與均值濾波器以及其他線性濾波器相比，中值濾波器的突出特點是在很好地濾除脈沖噪聲(Impulsive Noise)和椒鹽噪聲(Salt and Pepper Noise)的同時，還能夠保護(hù)目標(biāo)圖像邊緣輪廓的細(xì)?。用公湿勴示为?br>
g(x，y)=median{f(x-i,y-i)}，(i,j)∈S (1)
式中g(shù)(x，y)，f(x,y)為像素灰度值，S為模板窗口。
而中值濾波的具體實現(xiàn)過程一般為：
(1)選擇一個(2n+1)×(2n+1)的滑動窗口(通常為3*3或者5*5)，使其沿圖像數(shù)據(jù)的行或者列方向逐像素滑動(通常為從左至右，從上到下逐行移動)。
(2)每次滑動后，對窗口內(nèi)的像素灰度值進(jìn)行排序，用排序所得的中間值代替窗口中心位置像素的灰度值。
2．2中指濾波的改進(jìn)算法
中值濾波的算法很多，但通常數(shù)據(jù)排序量較大。需要消耗大量時間，不利于圖像處理的實時性。本文采用一種窗口大小為3*3的快速排序算法。大大降低了排序量。
為了便于說明。將3*3窗口內(nèi)的各個像素分別定義為M11，M12，M13，M21，M22，M23，M31，M32，M33。像素排列如表1。
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首先分別對窗口中的每一行計算最大值、中值、最小值，這樣一共可以得到9個數(shù)值，分別包括3個最大值、3個中值、3個最小值：
第一行的最大值：Max1=max[M11，M12,M13]；
第一行的中值：Med1=med[M11，M12,M13];
第一行的最小值：Min1=min[M11，M12,M13]；
依此類推：
Max2=max[M21，M22,M23]；Med2=med[M21，M22,M23]；Min2=min[M21，M22,M23]；
Max3=max[M31，M32,M33];Med3=med[M31，M32,M33]；Min3=min[M31，M32,M33]；
式中,max表示取最大值，med表示取中值，min表示取最小值。
不難判斷，9個數(shù)值中。3個最大值中的最大值和3個最小值中的最小值一定是9個像素中的最大值和最小值；3個中值中的最大值至少大于5個像素：即本行中的最小值、其他2行的中值及最小值：而3個中值中的最小值至少小于5個像素：即本行中的最大值、其他2行的中值及最小值。最后，比較3個最大值中的最小值Min_of_Max，3個中值中的中值Med_of_Med，3個最小值中的最大值Max_of_Min．得到的中間值即為濾波的最后結(jié)果Med_of_nine。具體過程表示如下：
Min_of_Max=min[Max1，Max2,Max3]；
Med_of_Med=med[Med1，Med2，Med3]；
Max_of_Min=max[Min1，Min2,Min3]；
則最后濾波結(jié)果：
Med_of_nine=med[Min_of_Max,Med_of_Med，Max_of_Min]；
利用這種排序法的中值濾波運算僅需17次比較，與傳統(tǒng)算法相比。比較次數(shù)減少了近2倍，且該算法十分適用于在FPGA上做并行處理，大大提高了濾波的速度。
3中值濾波器硬件電路設(shè)計
關(guān)鍵要完成2個模塊的設(shè)計，分別是：
3．1 3*3窗口模塊
用硬件實現(xiàn)二維中值濾波，很重要的一點是能可靠地存儲實時圖像數(shù)據(jù)，并且使延時最短。為了滿足實時性的要求，對圖像進(jìn)行全幀預(yù)處理，但這種全幀預(yù)處理并不是先將整幀圖像數(shù)據(jù)完全保存在存儲器中后再對全幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是存儲n-1行圖像數(shù)據(jù)后便開始處理，其中n為窗口大小。在本設(shè)計中，選用3*3窗口的中值濾波器，即n=3。這樣設(shè)計的好處是，F(xiàn)PGA可以以串行流水方式實現(xiàn)該模塊，節(jié)省了許多時間，為實時處理創(chuàng)造了有利條件。圖1給出3*3窗口中值濾波硬件框圖。
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由前面2．2節(jié)對中值濾波改進(jìn)算法的說明不難看出，整個排序?qū)嶋H就是要進(jìn)行7次3值比較：
1) 3*3窗口每一行的3個數(shù)進(jìn)行比較．分別得出每行的最大值、中值、最小值，一共有3行，需3次3值比較；
2)3個最大值組、中值組、最小值組進(jìn)行3值比較，3個組需3次3值比較；
3)最大值組中的最小值、中值組中的中值、最小值組中的最大值3個數(shù)再進(jìn)行一次比較。需1次3值比較。
為了盡量節(jié)約資源，充分利用硬件設(shè)計中的"模塊復(fù)用"原則，只需先設(shè)計一個簡單的3值比較器模塊，7次調(diào)用該模塊即可以輕松完成中值濾波排序。
另外，在圖像的各個邊緣。由于無法用3*3窗口覆蓋(窗口的一部分要覆蓋到圖像的外部)。所以無法直接調(diào)用該中值濾波排序模塊。參考了大量基于領(lǐng)域的圖像硬件處理系統(tǒng)的做法。本文將圖像邊緣像素簡單地設(shè)成"0"。并不會影響整個中值濾波的效果。這樣只需再加一個判斷窗口位置的模塊，如果判斷結(jié)果是邊緣．則不調(diào)用排序模塊而把"0"直接賦到輸出端；反之。則調(diào)用該排序模塊。
4 基于FPGA的處理結(jié)果
整個電路的設(shè)計使用Verilog HDL語言編寫，以Altera公司的Stratix II EP2S60器件為硬件平臺，在Quartus II 5．1的軟件開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)320*256*16 bit灰度圖像的中值濾波。該圖像1場時間是20ms(其中場消隱時間約為6．35 ms)，像素時鐘是6 MHz，算法占用資源如表2所示。
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5 結(jié)束語
本設(shè)計方案采用了一種改進(jìn)的快速中值濾波算法，成功地在Altera公司的高性能Stratix II EP2S60上實現(xiàn)整個數(shù)字紅外圖像濾波，在保證實時性的同時，使得硬件體積大為縮減，大大降低了成本，具有很強(qiáng)的實用價值。如果再結(jié)合其他濾波預(yù)處理方法，則可以進(jìn)一步提高其濾除噪聲的能力，更好地改善圖像質(zhì)量。本設(shè)計方案只能運用于矩陣型3*3模板，對于其他類型的模板(如5*5模板、十字線型模板)，需要重新進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。另外。在FPGA設(shè)計中，一定要嚴(yán)格控制時序，保證時鐘有足夠的建立時間和保持時間，并保證時序的嚴(yán)格同步，電路的延時應(yīng)該盡可能小。
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