基于FPGA的灰度形態(tài)學濾波器實現(xiàn)

　　3 仿真設(shè)計及注意事項

　　本設(shè)計在ModelSim SE 5.6e軟件平臺下仿真。輸入圖像大小為256×256,仿真需要的數(shù)據(jù)量相當大,而且還要求各輸入數(shù)據(jù)的時序一致,仿真測試文件中數(shù)據(jù)輸入采用讀文件的方法無法保證數(shù)據(jù)輸入的時序同步。同樣,濾波輸出的數(shù)據(jù)量也非常大,直接看波形顯然行不通。因此本設(shè)計先在C++ Builder環(huán)境下將圖像文件中的灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為測試向量,然后拷貝到仿真測試文件中。雖然測試文件相當大,但可以保證圖像灰度值同步輸入。對于仿真結(jié)果輸出,采用寫文件的方法,將形態(tài)學濾波的輸出寫入到文件中。通過計算機比較仿真輸出文件和同一幅圖像在C++ Builder環(huán)境下生成的濾波結(jié)果文件是否有差異,即可判斷功能仿真的正確性。時序仿真時數(shù)據(jù)輸出的時間也要保存到仿真結(jié)果文件中。

　　設(shè)計時要注意以下問題:

　　(1)濾波器要求嚴格的時序關(guān)系,宜采用同步設(shè)計。

　　(2)實際使用時圖像是連續(xù)輸入的,需要用場信號將濾波器復(fù)位。

　　(3)行延遲FIFO宜采用XC2S400E片內(nèi)的Block RAM生成。

　　(4)對于256×256的輸入圖像和3×3的結(jié)構(gòu)元,理論上的有效結(jié)果圖像大小是254×254。在實際使用中,對于不同大小的結(jié)構(gòu)元,濾波結(jié)果輸出會滯后幾個行周期,在圖像輸入完以后,象素時鐘信號也會撤銷,而此時形態(tài)學濾波還沒有結(jié)束,所以輸出的圖像大小比理論值還要小。不過沒有輸出的濾波結(jié)果數(shù)據(jù)絕大部分都是無效數(shù)據(jù),只有幾個象素是有效的。如果需要得到未能輸出的幾個有效數(shù)據(jù),可以在一幀圖像輸入結(jié)束之后再人為地加入幾個時鐘脈沖。

　　(5)為了方便下一級處理單元接收濾波數(shù)據(jù),輸出圖像的大小也應(yīng)設(shè)為256×256,相應(yīng)的地址生成器也應(yīng)設(shè)為256×256,同時需要將無效數(shù)據(jù)設(shè)置為某個定值。

　　4 結(jié)束語

　　根據(jù)實際應(yīng)用要求,本文設(shè)計了3×3結(jié)構(gòu)元素的形態(tài)學開操作濾波器,將其簡化后設(shè)計了相應(yīng)的硬件原理框圖,并在XC2S400E上實現(xiàn)。該設(shè)計已經(jīng)成功地應(yīng)用到實際中。在本文設(shè)計的開操作濾波器基礎(chǔ)上,通過簡單地改變結(jié)構(gòu)元素或改變?yōu)V波子模塊次序,即可得到其他性能的形態(tài)學濾波器。同時FPGA器件的可編程特性,可以方便地對電路進行改進,以進一步提高電路的性能。

　　參考文獻

　　1 劉志敏,楊杰.基于數(shù)學形態(tài)學的圖像形態(tài)濾波.紅外與激光工程,1999;28(4)

　　2 杜崢,張桂林,王超.紅外弱小目標預(yù)處理及檢測方法研究.計算機與數(shù)字工程,2003;31(4)

　　3 Singh B,Siddiqi M U.A Simplified Algorithm for Approximate Separable Decomposition of Morphological Templates.Pattern Recognition,1996;29(9)

　　4 Shih F Y,Mitchell O R.Decomposition of Grey-Scale Morphological Structuring Elements.Pattern Recognition,1995;24(3)

　　5 Robin F,Renaudin M,Privat G et al.Functionally Asynchronous Array Processor for Morphological Filtering of Greyscale Images.IEEE Proceedings:Computers and Digital Techniques,1996;143(5)