中值滤波器FPGA实现
FPGA比较矩阵排序法及在中值滤波器中的应用
数据在输入 数据 集合 中的序列值 。采用 F G P A芯片构造多种排序器 , 最大延 时均在几 十 n 量级 , s 将排序 器应用于 构造一维 和
L ii ,IQn qn L U J nig VWe n L i ig ,O u l x g n
( . ooi stt, ab tueo eh o g , ab 5 0 1C ia 1R btsI tueH ri I i t fTcnl y H ri 10 0 , hn ; c ni nn t s o n 2 R bts ntueH ri tue Tcnl y H ri 50 1 C i . oo s it, abnI i to ehoo , abn10 0 , hn c iI t s n t f g a; 3 R btsIs ueH ri ntueo Tcnlg H ri 50 1 C i ) . ooi nt t,ab s i f e o oy,ab c t i nI t t h n1 00 , n ha
c mp t g s e d mpo e n .A s r ag rt m s rp s d, ih d srb ts t e n u d t n o a d ou s o u i p e i r v me t n o t l o h i p o o e wh c it u e h ip t a i rws n c lmn i i a
基于FPGA的中值滤波算法研究与硬件设计
编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专 用集 成 电路 ( I ) ASC 领域 中的一种半 定制 电路 而出现
的 。既解 决 了定制 电路 的不 足 ,又克服 了原有 可编 程器件 门电路 数有 限的 缺点 。根据 面阵 C D 器 件 C 驱 动 要 求 ,采 用 此 项 技 术 进 行 了 图 像 处 理 专 用 F G 芯片设 计 ,对完 成 以 F G 图像处 理芯 片为 PA PA 核心 的实时 图像处 理系 统 的设计 有重 要意 义 。
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第3 卷 第1 l 期 20年3 0 8 月
长春理 工大学学报 ( 自然科学版 )
Junl f hn cu nvri f oec d eh oo y Na rl cec dt nl orao C a gh nU iesyo S i ea cn lg ( t aS i eE io t n n T u n i
Re e r h a d Ha d r sg f e i n Fi e i g s a c n r wa eDe i n o d a l r n M t
基于FPGA的数字滤波器的设计与实现
基于FPGA的数字滤波器的设计与实现
数字滤波器是一种非常重要的数字信号处理技术,用于消除输入信号中的噪声,并提高信号品质和可靠性。FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种用于构
建数字电路的可编程逻辑器件,因其高度的可定制性、可重构性和高性能而被广泛应用于数字信号处理中。本文将介绍基于FPGA的数字滤波器的设计和实现,包
括滤波器原理、数字滤波器设计方法、FPGA实现技术以及实验结果分析等内容。一、数字滤波器原理
数字滤波器是滤波器的一种,其实现基于数字信号处理技术。数字滤波器的输
入信号是离散时间信号,输出信号也是离散时间信号。数字滤波器通过在离散时间域上对输入信号进行滤波,实现对输入信号中某些频率成分的滤除或保留。数字滤波器通常分为FIR(有限脉冲响应)滤波器和IIR(无限脉冲响应)滤波器两类。
FIR滤波器是一种线性相位滤波器,其系统函数是一个有限长度的冲激响应权
重系数序列。FIR滤波器通过对输入信号的每个样本与权重系数的乘积进行累加,
输出得到滤波后的信号。FIR滤波器具有零相位失真、线性相应特性、易于设计、
易于实现等优点。
IIR滤波器是一种具有无限脉冲响应的滤波器,其系统函数是一个有理多项式。与FIR滤波器相比,IIR滤波器具有更高的滤波效率、更低的计算复杂度和更好的
逼近性,但也存在稳定性差、相位失真大等问题。
二、数字滤波器设计方法
数字滤波器的设计方法主要包括滤波器性能要求的确定、滤波器类型的选择、
滤波器设计的数学模型的建立、滤波器参数的计算、滤波器实现等几个方面。
基于fpga的数字图像处理原理及应用
基于FPGA的数字图像处理原理及应用
1. 引言
数字图像处理作为一项重要的技术,已经被广泛应用于多个领域,例如医疗影像、机器视觉和图像识别等。而基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)的
图像处理系统已经成为研究的热点。本文将介绍基于FPGA的数字图像处理原理及其应用。
2. FPGA的基本原理和特点
FPGA是一种可重构的硬件设备,具有可在现场编程的特点,使其适用于不同
应用的实时高性能图像处理。FPGA拥有可配置的逻辑单元和内部存储器,可用于
实现各种数字图像处理算法。
3. FPGA在数字图像处理中的应用
3.1 图像滤波
•FPGA可以实现图像滤波算法,例如均值滤波、中值滤波和高斯滤波等。
•FPGA的并行计算能力使得图像滤波可以以实时高性能的方式进行。
3.2 图像边缘检测
•基于FPGA的图像边缘检测算法可以有效地提取图像的边缘信息,用于目标识别和图像分割等应用。
•FPGA的并行处理能力和灵活的逻辑结构使得边缘检测算法可以以高效的方式实现。
3.3 图像增强
•FPGA可以用于实现图像增强算法,例如直方图均衡化和灰度级调整等。
•FPGA的硬件并行性使得图像增强算法可以在实时性要求较高的应用中得到广泛应用。
3.4 图像压缩
•FPGA可以实现图像压缩算法,例如JPEG压缩算法。
•FPGA的高速并行处理能力使得图像压缩可以以实时高效的方式进行。
4. FPGA在数字图像处理中的优势
•FPGA具有硬件并行处理能力,可以实现高效的图像处理算法。
•FPGA具有灵活性,可以根据不同的应用需求进行编程和配置。
FPGA的CIC滤波器的设计
FPGA的CIC滤波器的设计
1.原理概述
CIC滤波器由差分器、积分器和组合器三部分组成,可有效实现信号
的重采样和滤波功能。其基本原理是将输入信号通过差分器进行差分运算,然后经过积分器进行累积运算,最后通过组合器实现滤波和重采样。CIC
滤波器的特点是具有高的通带增益和截止频率,且不需要乘法器和存储器,适合在FPGA中实现。
2.设计步骤
(1)确定CIC滤波器的设计参数,包括增益因子、积分阶数、截止频
率等。
(2)根据设计参数计算滤波器的结构参数,包括输入和输出数据宽度、积分器的阶数和阶间差值等。
(3)根据计算结果,设计CIC滤波器的硬件结构,包括差分器、积分
器和组合器的实现方法。
(4) 使用HDL语言(如Verilog或VHDL)编写FPGA的CIC滤波器的
代码,同时进行功能仿真和波形仿真。
(5)在FPGA开发板上进行综合、布局布线和验证,实现CIC滤波器的
硬件设计。
3.设计关键技术
(1)差分器设计:差分器实现差分运算,可以简单采用异或门或加减
器实现。需要注意输入信号的幅度范围和差分器的输出范围。
(2)积分器设计:积分器实现累积运算,需要考虑积分阶数、数据宽
度和溢出等问题。可以采用寄存器与加法器的串行或并行结构实现。
(3)组合器设计:组合器实现滤波和重采样功能,需要根据设计参数
确定组合器的截止频率和增益系数。可以采用多级组合器结构实现。
(4)输入输出接口设计:FPGA的CIC滤波器需要与外部系统进行数据
交换,因此需要设计合适的输入输出接口,包括数据接口、时钟接口和控
制接口等。
4.实现优化技术
一种中值滤波快速系统的FPGA实现
2023年3月第38卷第2期西安石油大学学报(自然科学版)
JournalofXi’anShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)Mar.2023
Vol.38No.2
收稿日期:2021 07 14
基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2017JM6068);西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目(
YCS21213194)第一作者:穆向阳(1969 ),男,教授,研究方向:现代检测技术与智能机器。E mail:841156680@qq.com通讯作者:雷妍(1995 ),女,硕士研究生,研究方向:FPGA图像处理、FPGA开发。E mail:1335294977@qq.com
DOI:10.3969/j.issn.1673 064X.2023.02.017中图分类号:TE973;TP391.4文章编号:1673 064X(2023)02 0128 07
文献标识码:A
一种中值滤波快速系统的FPGA实现
穆向阳1,2,雷妍1,2
,王闻博3
(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065;2.西安石油大学陕西省油气井测控技术
重点实验室,陕西西安710065;3.中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司,广东湛江524057)
摘要:针对传统焊缝图像滤波实时性差、处理速度慢的问题,提出了一种中值滤波快速系统的FPGA实现方案。首先,在QuartusII软件开发平台中进行系统总体设计,完成了上位机交互模块、地址发生器模块、数据流控制模块和流水卷积中值滤波算法模块的模块化设计,并在数据流控制模块的时序作用下,实现像素分块读取功能及数据的流水线处理功能,进而构建快速滤波卷积核,执行流水中值滤波算法;其次,在Modelsim仿真平台下验证该系统的功能;最后,在MATLAB环境下将本文设计方案与传统的2种中值滤波方案处理的结果进行对比。实验结果表明:以分辨率为600×400的焊缝图像为例,本方案能在保证峰值信噪比的情况下,极大提高处理速度和数据吞吐量,满足图像实时处理的要求。
图像缩放算法研究及其FPGA实现
图像缩放算法研究及其FPGA实现
一、本文概述
随着数字图像处理技术的不断发展,图像缩放作为其中的关键步骤,对于提高图像质量和处理效率具有重要意义。本文旨在研究图像缩放算法的相关理论和技术,并探讨其在FPGA(Field-Programmable Gate Array)硬件平台上的实现方法。通过对图像缩放算法的分析与优化,结合FPGA并行处理的优势,实现高效、精确的图像缩放功能。
本文首先介绍了图像缩放算法的基本原理和常见方法,包括最近邻插值、双线性插值、双三次插值等。然后,对FPGA在图像处理领域的应用进行了概述,分析了FPGA并行处理的特点及其在图像处理中的优势。在此基础上,提出了一种基于FPGA的图像缩放算法实现方案,并对该方案进行了详细的描述和分析。
本文的重点在于研究图像缩放算法在FPGA上的优化实现。通过合理设计算法流程、优化数据结构和利用FPGA并行处理资源,实现了高效的图像缩放处理。本文还对所实现的图像缩放算法进行了性能分析和评估,验证了其在实际应用中的可行性和优越性。
通过本文的研究,旨在为图像缩放算法的优化实现提供一种有效的FPGA解决方案,为数字图像处理技术的发展和推广做出贡献。也为相关领域的研究人员和技术人员提供了一定的参考和借鉴。
二、图像缩放算法概述
图像缩放,也称为图像重采样或图像分辨率调整,是数字图像处理中的关键步骤。它涉及改变图像的尺寸,即在保持图像内容尽可能不变的前提下,增加或减少图像的像素数量。图像缩放算法在多个领域都有广泛应用,如数字摄影、视频处理、医学影像分析以及计算机视觉等。
基于FPGA的中值滤波算法的实现
基于FPGA的中值滤波算法的实现
1.背景知识
中值滤波法是⼀种⾮线性平滑技术,它将每⼀像素点的灰度值设置为该点某邻域窗⼝内的所有像素点灰度值的中值.
中值滤波是基于排序统计理论的⼀种能有效抑制噪声的⾮线性信号处理技术,中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中⼀点的值⽤该点的⼀个邻域中各点值的中值代替,让周围的像素值接近的真实值,从⽽消除孤⽴的噪声点。⽅法是⽤某种结构的⼆维滑动模板,将板内像素按照像素值的⼤⼩进⾏排序,⽣成单调上升(或下降)的为⼆维数据序列。⼆维中值滤波输出为g(x,y)=med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)} ,其中,f(x,y),g(x,y)分别为原始图像和处理后图像。W为⼆维模板,通常为3*3,5*5区域,也可以是不同的的形状,如线状,圆形,⼗字形,圆环形等。
中值滤波法对消除椒盐噪声⾮常有效,在光学测量条纹图象的相位分析处理⽅法中有特殊作⽤,但在条纹中⼼分析⽅法中作⽤不⼤.
中值滤波在图像处理中,常⽤于保护边缘信息,是经典的平滑噪声的⽅法。
2.中值滤波理论
中值滤波是⼀种⾮线性滤波,在数字图像处理中,对于 N X N (N 为奇数) 中值滤波器,可以滤除⼩于或等于邻域中(N 2- 1)/2 个像素的噪声并且较好地保持图像的边缘[3]。对图像进⾏中值滤波处理⾸先要确定⼀个模板 N ×N ,⼀般选取 3X 3 或 5 ×5。中问位置的图像数据的表达式为
f (x ,y ) = med{f (x ± k,Y ± Z) , (K≤ (N -1) /2,Z≤ (N-1) /2) }
基于fpga的滤波器设计与实现
基于fpga的滤波器设计与实现
基于FPGA的滤波器设计与实现
一、引言
滤波器是信号处理中常用的一种工具,它可以通过剔除或增强信号中的特定频率分量来改变信号的特性。而基于FPGA的滤波器是一种利用可编程逻辑器件FPGA来实现滤波功能的方法。本文将介绍基于FPGA的滤波器的设计与实现过程。
二、滤波器的基本原理
滤波器主要通过改变信号的频谱特征来实现滤波效果。它可以分为两类:低通滤波器和高通滤波器。低通滤波器通过剔除高频分量,保留低频分量;高通滤波器则相反,剔除低频分量,保留高频分量。滤波器的设计需要根据具体的需求选择合适的滤波器类型和参数。三、基于FPGA的滤波器设计与实现
基于FPGA的滤波器设计与实现可以分为以下几个步骤:
1. 确定滤波器类型和参数:根据实际需求,选择合适的滤波器类型和参数。例如,如果需要设计一个低通滤波器,需要确定截止频率和滤波器阶数等参数。
2. 数字滤波器设计:将滤波器的模拟设计转化为数字滤波器的设计。常见的数字滤波器设计方法有FIR滤波器设计和IIR滤波器设计。FIR滤波器是一种无反馈的滤波器,具有线性相位特性;IIR滤波器
则具有反馈结构,可以实现更高阶的滤波器。
3. 将数字滤波器转化为FPGA可实现的结构:将数字滤波器转化为FPGA可实现的结构,可以采用直接形式实现、级联形式实现或者管线化实现等方法。其中,直接形式实现是最简单直观的方法,但其硬件资源占用较多;级联形式实现可以减少硬件资源的占用,但增加了延迟;管线化实现则可以兼顾硬件资源和延迟。
4. 使用HDL语言进行FPGA设计:使用HDL语言,如VHDL或Verilog,进行FPGA设计。根据设计的结构和功能,编写相应的HDL代码。在编写代码时,需要注意代码的可重用性和可维护性,以便后续的设计和调试。
中值滤波原理
中值滤波原理
中值滤波[2]就是用一个奇数点的移动窗口,将窗口的中心点的值用窗口内的各点中值代替。假设窗口内有五点,其值为80、90、200、110和120,那么此窗口内各点的中值及为110。
设有一个一维序列f1,f2,…,fn,取窗口长度(点数)为m(m为奇数),对其进行中值滤波,就是从输入序列中相继抽出m个数
fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v(其中fi为窗口中心值,v=(m-1)/2),再将这m个点按其数值大小顺序排序,取其序号的中心点的那个数作为滤波输出。数学公式表示为:
Yi=Med{fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v} i∈N v=(m-1)/2 (式4-2)Yi称为序列fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v的中值
例如,有一序列{0,3,4,0,7},重新排序后为{0,0,3,4,7}则Med{0,0,3,4,7}=3。此列若用平滑滤波,窗口也取5,那么平滑滤波输出为(0+3+4+0+7)/5=2.8。
把一个点的特定长度或形状的邻域称作窗口。在一维情况下,中值滤波器是一个含有奇数个像素的滑动窗口。中值滤波很容易推广到二维,此时可以利用二维形式的窗口。
对于平面图像采用的二维中值滤波可以由下式表示:
(式4-3)
式中:A为窗口,{fij}为二维数据序列,即数字图像各点的灰度值。
对于本系统,由于采集到的是24位真彩色图像,每个像素点分别有R、G、B三个灰度分量,故要在窗口内分别找到这三个分量的中值,分别用这三个中值去代替窗口中心像素点的R、G、B三个灰度分量的值。
一种基于FPGA的图象中值滤波硬件实现
[ R f l .oz zD a I ae r es g P b s n o s o l o i I sy. 2 a e C nl . i t g o si . u l h gH ue f e n s n t ] a G e lm P c n ii E c c ur
20 . 03
3 3 × 十字窗 口 是将 3 的方形窗 口取正 中心及 其上 ,下 ,左 ,右 3 X 五个数值 , 组成十字形窗 口。该 窗I需要把3 Z l 行数据 同时输入 ,但是由 R M读出的数据是串行读出的,所以在窗 口 O 模块前面我们需要设计—个 串并转换模块 ,然后需要9 个触发器 , 把这9 个触发器排列成 3 3的形 × 式,分别把3 行像素值输入到对应的触发器 中,再把所需的5 个位置 ,即 正中心及其上,下 ,左,右的5 个数值取出即可。 23 中值 滤波模块 . 这个模块的功能是得 到窗 口 所取5 个数据的中间值。得 到中值 的方 法很多 ,最常用 的是排序法 ,这种 方法需 要消耗大量的时间 ,不利于 实时图象处理 。这 次采用的方法是 :假定5 个数据分别是a ,a ,a , l 2 3
图象在生成过程 中常常会受到各种噪声源的干扰和影响而使图象的 质量变差。为抑制噪声 ,改善图象质量 , 必须对图象进行滤波 、平滑等 预处理。中值滤波能够很好的把图象的噪声滤除掉, 尤其对椒盐噪声和脉 冲噪声有较佳效果 。本文采用 3 3的十字形窗 口 × 方式实现图象的中值 滤波 , 基于FG 采用 V D 语言进行编程并作仿真。仿真结果说明该算 PA HL 法取得了良好的滤波效果 , 满足系统实时性要求。
基于FPGA的图像中值滤波算法硬件系统实现
数 /模 ( A) 换 芯 片将 数 字 视 频 信 号 再 D/ 转
转 换 为 PAL制 式 的 模 拟 信 号 。 2 2 系 统 的 工 作 流 程 系 统 复 位 完 成 FP GA程 序 加 载 后 , 由 先 F GA的 I C总 线 H模 块 对 S P 2 ] AA7 】 和 S 1 l AA7
1 8 始 化 , 始 化 结 束 后 二 者 分 别 等 待 采 2初 初 集 图像 和 接 收 图像 的 命令 。 始 化 成 功 后 , 初 略 来 实 现 的 , 用 的 处 理 策 略 有 一 维 图 像 常 其 S AA7】 1 时 处 理 模 拟 视 频 信 号 , 出 亮 处 理 和 二 维 图 像 处 理 , 中 二 维 处 理 的 处 1实 输 度 和 色 度 信 号 , 时 输 出 点 时 钟 信 号 , 、 理 结 构 , 可 分 为 两 种 方 法 : 并 行 处 理 和 同 行 又 场 同 步 信 号 , 、 参 考 信 号 , 偶 场 标 志 流 水 线 处 理 。 行 场 奇 信 号 等 。 系 统 使 用 灰 度 图 像 , 有 使 用 色 本 没 2. . 1 3 控 讶 模 块 控 制 模 块 的 设 计 包 括 算 法 内 部 参 数 调 度 信 号 , 以 数 据 线 为 8 。 统 采 集 图 像 所 位 系
・
应 用研 究 ・
基于 F G P A的图像中值滤波算 法硬件 系统实现
基于FPGA的实时图像自适应中值滤波器设计
7 1 0 0 7 1 )
利 用 自适 应 的 中值 滤 波 算 法 ,设 计 了基 于 F P G A的 实时 图像 自适 应 中值 滤 波 器 。 与之 前 的 软 件 实 现 方 法
相 比 ,程 序 能 满 足 实 时性 的要 求 ,且 占用 资 源 少 ,是 一 种 简单 易行 的 方案 。在 X i l i n x硬 件 平 台上 已经得 到 验 证 。
Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s i g ns a r e a l - - t i me i ma g e a d a p t i v e me d i a n i f l t e r ba s e d o n FP GA u s i n g t h e a l g o it r h m o f a — -
频 图像 的实时 自适 应 中值 滤 波 器 的简 易 方 案 , 大 幅 减
少了F P G A芯 片资 源 的 占用 。
自适 应 中值 滤波算 法分 为两 层 :
第 一层
M1 =P 一P d ; M2 = P i 一 P d ( 2 )
义 如下 变 量 : 窗 口中心 像 素值 为 P ; 窗 口内最大 的像 素 值为 P ; 窗E l内最 小 的像 素 值 为 P i ; 窗 口内像 素 值 的 中值为 P ; 允 许 的最大 的窗 口为 Wm ; 算 法 输 出
基于FPGA的图像处理技术设计与实现
基于FPGA的图像处理技术设计与实现
随着科技的不断发展,图像处理技术的应用也越来越广泛。FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为一种基于可编程逻辑门电路的数字逻辑器件,其在图像处理领域中的应用也越来越受到人们的关注。本文主要介绍了基于FPGA的图像处理技术的设计与实现。
一、FPGA的基本原理及优势
FPGA的基本原理是将逻辑门电路实现的芯片替换为可编程的逻辑门电路阵列,即可灵活编程实现特定功能。与专用集成电路相比,FPGA具有灵活性强、时间开发短、生产周期短等优势。在图像处理应用中,FPGA具有以下优势:
1. 高速度:FPGA具有并行处理能力,因此在图像处理中可以实现高速运算,提高计算效率。
2. 可编程:FPGA可以根据不同的需求和算法进行灵活编程,可以实现多种图像处理算法。
3. 低功耗:由于FPGA采用可编程的电路设计,因此不需要像传统电路一样进行不必要的计算操作,从而降低功耗。
二、基于FPGA的图像处理技术设计与实现
在基于FPGA的图像处理技术中,主要包括图像采集、图像预处理、图像处理、图像输出等步骤。下面我们将一一介绍。
1. 图像采集
图像采集是图像处理的第一步,主要是通过摄像头或其他设备获取输入图像。在采集图像时,需要进行数字化处理,将模拟信号转换为数字信号,以便后续的图像处理操作。
2. 图像预处理
图像预处理主要是对输入图像进行去噪、滤波、增强等操作,以减少噪声和干扰,提高图像质量。常见的图像预处理算法包括均值滤波、中值滤波、高斯滤波、边缘增强等。
比较编码的中值滤波快速算法及FPGA实现
西
安
工
业
大
学
学
报
第 3 卷 2
这 5 数 中求 中值 , 个 需要 6次 比较 , 第 二组 已经 但 有序 , 省去 2次 比较 . 以最 后 找 到 9个 元 素 的 中 所 值需要 1 6次数 比较. 减少 了 比较次数 , 虽 但算 法复
对 实时性要 求严 苛 的 图像预 处理 系统 .
关键 词 : 比较 编码 ; 中值 滤 波 ; P F GA; 图像预 处理 中 图号 : TP 9 . 3 14 文献标 志码 : A
中值滤 波是一 种非 线性 滤波 方法 , 能够有 效地 抑 制脉 冲噪声 、 盐 噪声 同时又 可 以很 大程 度地保 椒
杂 , 利 于 F GA 的硬件 实现 . 不 P
中值 , 成一 次排 序 需 要 3个 时钟 周 期 , 完 成 整 完 而 个窗 口内像 素值 的 中值 计算 需要 9 时钟 周期 . 个 文 中在 文献 [] 4 的基 础上 设计 了一 种基 于 比较 编码 的
3 入 比较器 . 图 2所示 . 输 如
比较 编 码 的 中值 滤 波 快 速 算 法 及 F GA 实 现 P
姚 西文,郭 雷,赵 天云 ,杨 宁
( 北 工 业 大 学 自动化 学 院 , 安 7 0 2 ) 西 西 1 19
红外图像预处理技术及其FPGA实现
红外图像预处理技术及其FPGA实现
红外图像预处理技术及其FPGA实现
近年来,红外图像在机器视觉、军事侦察、医学影像等领域得到了广泛的应用,并且随着红外成像技术的快速发展,其图像质量也不断提高。然而,红外图像中存在着许多问题,如低对比度、噪声干扰、边缘模糊以及无效信息等,这些问题影响了图像的分析、处理和应用。因此,红外图像预处理技术的研究变得尤为重要。
红外图像预处理的目标是通过一系列的图像增强、去噪和细节提取等算法,改善红外图像的质量,使其更加适合人眼观察和计算机处理。在这个过程中,硬件实现方案中的FPGA技术被广泛运用,因为FPGA具有并行计算能力和灵活性。
首先,红外图像预处理的第一步是图像增强。传统的图像增强方法包括直方图均衡化、拉普拉斯锐化和中值滤波等。直方图均衡化是一种常用的灰度变换方法,通过对图像像素值进行重新映射,增强图像的对比度和细节。而拉普拉斯锐化可以通过对图像进行边缘增强,使图像更加清晰。中值滤波则能够有效地抑制图像中的椒盐噪声和高斯噪声。这些传统方法可以在FPGA上实现,利用FPGA的并行处理能力,提高图像增强的实时性和效果。
其次,红外图像预处理的第二步是图像去噪。红外图像中常常受到各种噪声的干扰,例如热噪声、散斑噪声和量化噪声等。为了提高图像质量,可以运用一些去噪算法,如小波去噪和自适应中值滤波。小波去噪是一种频域图像去噪方法,它通过将原始图像分解为低频和高频子带,并对高频子带进行滤波处理,再进行重构,以达到去噪的目的。而自适应中值滤波能
够根据像素邻域的特征动态地选择滤波窗口大小,抑制椒盐噪声和高斯噪声。这些算法可以通过FPGA上的小波变换模块和
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课程设计报告书
《数字信号处理及系统设计》中值滤波-FPGA设计
设计人:袁兴
班级:硕研10级3班
学号:2010010339
山东科技大学
中值滤波器-FPGA 实现
■ 前沿
对于许多图像处理问题,传统的线性滤波方法存在着固有的缺陷。为此,最近几十年来,发展起来了一类新的非线性滤波器结构—中值滤波器。这类滤波器在图像信号处理中具有独特的优势,目前已成为非线性滤波领域的一个研究点。 针对传统中值滤波算法排序量多、速度慢的缺点,提出了一种基于FPGA 的中值滤波快速算法。充分利用两个相邻滤波窗口中的相关排序信息,随着一列新像素的移入,同时更新已有的排序信息,从而完成中值滤波处理。该算法将每个窗口查找中值的比较次数降到很低,达到了快速抑制噪声及保持图像细节的目的。 中值滤波器设计的原理
中值滤波是一种非线性滤波方法,于1971年首次提出[1]。它首先对邻域点的灰度值进行排序,然后选择中间值作为输出灰度值。中值滤波的公式如下:
g (x, y )=med (f (x -i ,y -j ))i ,j ∈S (1)
其中,g (x, y)和f (x, y)为像素灰度值;S 为模板窗口。中值滤波要实现的是用中值g (x, y)来代替中心点值f (x, y)。对于椒盐噪声来说,由于模板的中值很大程度上不会是噪声,因此中值滤波能很好地消除它。当中心点值为噪声时,其值和中值数值相差较大,应该用中值来代替中心点值。但是,当中心点值不为噪声时,其值和中值数值相差不大,如果还用中值来代替中心点值,那么虽然对于单个像素点来说,不会产生较大的差异,但是如果对一整幅图像都进行这样的处理,这将在一定程度上使整幅图像变得模糊。据此,可以对中值滤波算法做一些改进。首先,排序窗口内的图像数据,找到中值。然后将中值和中心点值做差,将差值与事先设定的阈值T 进行比较,如果两值之差的绝对值|g (x ,y -f (x, y)|大于等于阈值T ,则认为中心点图像数据是噪声,用中值代替原数据值;如果两值之差的绝对值|g (x ,y -f (x, y)|小于阈值T ,则认为中心点图像数据是有效数据,保持不变。即
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(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)g x y g x y f x y T g x y f x y g x y f x y T ⎧-≥⎪=⎨-⎪⎩ 2) 其中,g (x, y)如式(1)中定义。阈值T 的选择应该针对不同的图像,根据经
验或者实验进行选取。如果阈值选择过大,将有可能滤除不掉噪声;如果阈值选择过小,将仍会使图像变得模糊。由于噪声和周围像素相差较大,也和中值相差较大,因此阈值一般选择在几十左右。这样,滤波处理之后的图像在除去噪声的同时会更加接近于原图像,能在更大程度上保留图像细节,使图像更清晰。
■中值滤波的快速算法
我们都知道,冒泡排序算法,在中值滤波中,是最基本、最经典的传统通用算法。很多经过改进后的优化版本的快速算法和经过推广衍生后的性能增强的中值滤波算法,都是基于这个冒泡排序算法的原理而产生的。我们下面将会着重描述的中值滤波的快速算法,就是在这个冒泡算法上,经过修改优化得到的。
这个快速算法的理念就在于,我们没有必要对输入窗口中的所有灰度值都进行排序,也不需要得到它们的完整序列。我们只需要找到那个排列在中间位置的值就可以了。它包含了以下所罗列出来的三个步骤:第一步:对输入窗口中的每一列的灰度值,形成一个象素数组,并且对每一个象素数组进行单独的排序。第二步:对输入窗口中的每一行的灰度值,也形成一个类似的象素数组,并且同样对每一个象素数组进行单独的排序。第三步:经过排序之后,形成了新的输入窗口,这个窗口在行和列中都已经得到了排序,对现在排序之后的输入窗口中的对角线上的所有灰度值进行排序,并且选出这一个对角线上所有灰度值的中间值,然后这个中间值就是整个输入窗口的中值,也就是要作为最后输出的那个中值。我们可以得到这样一个快速算法。就是在特殊的3×3的象素大小的输入窗口的情况下,有九个数据需要被处理。那么我们就顺便按照物理位置将这个九个象素点分成列的三组,然后分别进行排序,得到每一列数据的最大值、中间值和最小值。然后对三个最大值、三个最小值和三个中间值进行排序,得到的结果,我们只取三个数,也就是三个最大值中的最小值,三个中间值中的中间值和三个最小值中的最大值。这三个值对应上面的那个说法,就是经过两个步骤之后,行和列都已经排序完了之后的一个对角线上的三个值。这三个值最后经过排序得到的中间值,就是整个输入窗口中九个象素点的灰度值中的中间值了。
中值滤波的快速算法的过程如下图1所示:
图1 在输入窗口大小为3X3的情况下的中值滤波快速算法中值滤波算法核心是排序,排序算法的优劣直接决定了求取中间值的效率。从而决定滤波器的整体性能。基于硬件的排序算法设计可以充分的利用硬件平台的并行性特点,从而达到加快处理的速度目的。下面分析3X3窗口图像数据的数学模型,说明中间值的求得过程。
设窗口的数据分别为:
W11 W12 W13
W21 W22 W23
W31 W32 W33
第一步:
可以将9个数据按行数分成3组(L1、L2、L3),分别进行排序。
L1min=min(W1y) L1med =med(W1y) L1max=max(W1y)
L2min=min(W2y) L2med =med(W2y) L2max=max(W2y)
L3min=min(W3y) L3med =med(W3y) L3max=max(W3y)
第二步:
重新分组,将每组中的最大值,供3个值,选出组成大值组V1,类似的组成中值组V2和小值组V3,再次分别排序。
V1min=min(Lx max) V1med =med(Lx max) V1max=max(Lx max)
V2min=min(Lx med) V2med =med(Lx med) V2max=max(Lx med)
V3min=min(Lx min) V3med = med(Lx min) V3max =max(Lx min)
经过分析可得到:
V1max 是9个值中最大的,不可能是中间值;
V1med 是由小到大排列的9个值中至少是处于第6的位置,不可能是中间值;V2min 是由小到大排列的9个值中最多是处于第4的位置,不可能是中间值;V2max 是由小到大排列的9个值中至少是处于第6的位置,不可能是中间值;