基于FPGA的灰度形態(tài)學(xué)濾波器實(shí)現(xiàn)

　　在形態(tài)算法設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)元素的選擇十分重要,其形狀和尺寸的選擇是能否有效地提取信息的關(guān)鍵。一般情況下,結(jié)構(gòu)元素的選擇按照下面原則進(jìn)行:

　　(1)結(jié)構(gòu)元素必須在幾何上比原圖像簡單,且有界。

　　(2)結(jié)構(gòu)元素的凸性非常重要,一般選擇凸性子集。

　　2 灰度形態(tài)學(xué)濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 結(jié)構(gòu)元素選擇及簡化[3]

　　本文所述形態(tài)學(xué)濾波的目的是檢測256×256大小12位灰度圖像f中的弱小目標(biāo),選擇3×3大小的扁平結(jié)構(gòu)元素和原始圖像做開操作,其結(jié)構(gòu)為:

　　2.2 電路原理設(shè)計(jì)[4][5]

　　輸入圖像f與結(jié)構(gòu)元素g1腐蝕就是求f中每行相鄰3個(gè)象素的灰度最小值。對(duì)于1幅靜止圖像,可以采用1個(gè)1×3的窗體從圖像第1行第1列開始,自左向右滑動(dòng),依次取出窗口內(nèi)的3個(gè)象素灰度值,比較得到灰度最小值并按順序存儲(chǔ)。第1行做完后,再在第2行滑動(dòng),直至圖像的最后1行的最后3個(gè)象素。存儲(chǔ)后的圖像即為f與g1腐蝕的結(jié)果圖像。對(duì)于實(shí)時(shí)串行輸入圖像,只需讓圖像灰度數(shù)據(jù)流從1×3的窗體通過,取出窗體內(nèi)的3個(gè)象素灰度值,比較后得到的最小值數(shù)據(jù)流就是腐蝕后的圖像灰度數(shù)據(jù)。

　　求3個(gè)數(shù)的最小值可以先求2個(gè)數(shù)的較小值,將結(jié)果再與第3個(gè)數(shù)比較即可得到最小值。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何利用第1組數(shù)據(jù)的中間結(jié)果快速完成第2組數(shù)據(jù)的比較。針對(duì)圖像是串行輸入流以及FPGA內(nèi)部資源足夠豐富的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了二級(jí)流水比較器,其邏輯框圖如圖1所示。圖像第1行第1列的灰度值輸入后鎖存到12位的觸發(fā)器,待第2個(gè)數(shù)據(jù)輸入后與之比較,較小值鎖存到中間的12位觸發(fā)器,而第2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到左邊的12位觸發(fā)器。當(dāng)?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)輸入后與前2個(gè)數(shù)據(jù)的較小值比較,得到第1組數(shù)據(jù)的最小值,同時(shí)第1組數(shù)據(jù)中的第2個(gè)值作為第2組數(shù)據(jù)的第1個(gè)值,將與第3個(gè)數(shù)據(jù)(第2組數(shù)據(jù)的第2個(gè)值)比較。這樣,圖像數(shù)據(jù)輸入到1×3腐蝕單元,2個(gè)象素周期之后即可得到最小值輸出數(shù)據(jù)流。

　　將圖1中的12位鎖存器替換深度為256字節(jié)的FIFO,即可得到1×3腐蝕邏輯框圖。與1×3腐蝕過程類似,f與g1腐蝕的最小值數(shù)據(jù)流輸入到1×3腐蝕單元,2行延遲時(shí)間之后即可得到f與g腐蝕的圖像灰度數(shù)據(jù)流。