基于Stratix II EP2S60的改進(jìn)中值濾波器設(shè)計(jì)

1 引言

    眾所周知，在復(fù)雜背景條件下，要對(duì)弱小目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確有效地紅外跟蹤、探測(cè)是一個(gè)難題。這種情況下，由于目標(biāo)與背景的對(duì)比度較小、信噪比較低，若直接進(jìn)行跟蹤、探測(cè)往往比較困難，所以必須先對(duì)圖像信號(hào)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(shí)時(shí)圖像處理器中，信號(hào)預(yù)處理包括對(duì)圖像的各種濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)及均衡、圖像增強(qiáng)、灰度變換等，它們共同的特點(diǎn)是處理數(shù)據(jù)量大，如果用一般的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)勢(shì)必會(huì)比較慢。而對(duì)于一些實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性也無(wú)從談起。針對(duì)圖像預(yù)處理階段運(yùn)算結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)無(wú)疑是理想的選擇，這樣同時(shí)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(yǔ)言。利用一種快速的中值濾波改進(jìn)算法對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以Altera公司生產(chǎn)的Stratix II EP2S60F67214型FPGA芯片為硬件平臺(tái)。該器件繼承了Altera公司Stratix II系列的共同優(yōu)點(diǎn)，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(jí)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(gè)寄存器位，2 544 129個(gè)存儲(chǔ)器位以及48 352個(gè)ALUT，該器件資源豐富，只需占用很小一部分實(shí)現(xiàn)中值濾波器，為后續(xù)設(shè)計(jì)的增長(zhǎng)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(hào)處理技術(shù)，早期用于一維信號(hào)處理，后來(lái)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(yùn)算，類似于卷積，但計(jì)算的不是加權(quán)求和，而是把鄰域中的像素按灰度級(jí)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(diǎn)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(shí)，還能夠保護(hù)目標(biāo)圖像邊緣輪廓的細(xì)?。用?獎(jiǎng)硎疚??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(shí)現(xiàn)過(guò)程一般為：

    (1)選擇一個(gè)(2n+1)×(2n+1)的滑動(dòng)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(dòng)(通常為從左至右，從上到下逐行移動(dòng))。

    (2)每次滑動(dòng)后，對(duì)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(shí)間，不利于圖像處理的實(shí)時(shí)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(shuō)明。將3*3窗口內(nèi)的各個(gè)像素分別定義為M11，M12，M13，M21，M22，M23，M31，M32，M33。像素排列如表1。

    首先分別對(duì)窗口中的每一行計(jì)算最大值、中值、最小值，這樣一共可以得到9個(gè)數(shù)值，分別包括3個(gè)最大值、3個(gè)中值、3個(gè)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(gè)數(shù)值中。3個(gè)最大值中的最大值和3個(gè)最小值中的最小值一定是9個(gè)像素中的最大值和最小值；3個(gè)中值中的最大值至少大于5個(gè)像素：即本行中的最小值、其他2行的中值及最小值：而3個(gè)中值中的最小值至少小于5個(gè)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(gè)最大值中的最小值Min_of_Max，3個(gè)中值中的中值Med_of_Med，3個(gè)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(guò)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(yùn)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(jì)

    關(guān)鍵要完成2個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，分別是：

3．1 3*3窗口模塊

    用硬件實(shí)現(xiàn)二維中值濾波，很重要的一點(diǎn)是能可靠地存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，并且使延時(shí)最短。為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，對(duì)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(chǔ)器中后再對(duì)全幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是存儲(chǔ)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(jì)中，選用3*3窗口的中值濾波器，即n=3。這樣設(shè)計(jì)的好處是，F(xiàn)PGA可以以串行流水方式實(shí)現(xiàn)該模塊，節(jié)省了許多時(shí)間，為實(shí)時(shí)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。

    圖1中，D代表延時(shí)器，F(xiàn)IFO代表先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。該先進(jìn)先出存儲(chǔ)器模塊如圖2所示，wrreq和rdreq分別為寫、讀使能，aclr為異步清零。圖像數(shù)據(jù)以像素時(shí)鐘節(jié)拍從數(shù)據(jù)輸入端依次輸入，F(xiàn)IFO用來(lái)存儲(chǔ)一行數(shù)據(jù)，從而使M11，M12，…，M33正好對(duì)應(yīng)3*3窗口的9個(gè)圖像數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。當(dāng)數(shù)據(jù)流不斷從數(shù)據(jù)輸入端輸入時(shí)，3*3模板對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)不斷地跟著變化，這樣就可以對(duì)一幀圖像的所有像素都進(jìn)行3*3模板處理。
3．2 3*3窗口內(nèi)9個(gè)數(shù)值的排序模塊

    由前面2．2節(jié)對(duì)中值濾波改進(jìn)算法的說(shuō)明不難看出，整個(gè)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(gè)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(gè)最大值組、中值組、最小值組進(jìn)行3值比較，3個(gè)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(gè)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(jì)中的"模塊復(fù)用"原則，只需先設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)邊緣。由于無(wú)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(wú)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(jiǎn)單地設(shè)成"0"。并不會(huì)影響整個(gè)中值濾波的效果。這樣只需再加一個(gè)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(gè)電路的設(shè)計(jì)使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫，以Altera公司的Stratix II EP2S60器件為硬件平臺(tái)，在Quartus II 5．1的軟件開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)320*256*16 bit灰度圖像的中值濾波。該圖像1場(chǎng)時(shí)間是20ms(其中場(chǎng)消隱時(shí)間約為6．35 ms)，像素時(shí)鐘是6 MHz，算法占用資源如表2所示。

    由表2可見(jiàn)，該中值濾波設(shè)計(jì)的芯片資源占用率是非常小的，因此絕大部分資源可以用于后續(xù)的開發(fā)設(shè)計(jì)中。處理一場(chǎng)數(shù)據(jù)所需時(shí)間僅約為4．2 ms，完全滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)速度的高要求。而同樣的3×3模板中值濾波若在ADI的TS201型DSP上處理，所需時(shí)間約為15．3 ms。顯而易見(jiàn)，基于Stratix II EP2S60來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外圖像的中值濾波比基于TS201來(lái)實(shí)現(xiàn)有更好的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，而且該設(shè)計(jì)使用了快速中值濾波算法，所以比傳統(tǒng)算法節(jié)約了更多時(shí)間，資源占用率也非常小。輸入、輸出圖像分別如圖3、圖4所示，由于本濾波模塊把邊緣置為0，所以圖的邊緣是一條黑線。對(duì)比前后圖像可以看出中值濾波對(duì)椒鹽噪聲有很好的濾波作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字紅外圖像濾波，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，使得硬件體積大為縮減，大大降低了成本，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(jì)方案只能運(yùn)用于矩陣型3*3模板，對(duì)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(jì)。另外。在FPGA設(shè)計(jì)中，一定要嚴(yán)格控制時(shí)序，保證時(shí)鐘有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間，并保證時(shí)序的嚴(yán)格同步，電路的延時(shí)應(yīng)該盡可能小。