基于FPGA的中值滤波快速算法的设计与实现[1]

基于FPGA 滤波

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第1卷 0

20年11 08第 月期

鼢

V1O o o1 N. . 1Jn o 8 a .2 o

基于F G的中值滤波快速算法的 PA设计与实现王伟。杨兵(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 707) 10 1

摘要：介绍了一种适合于硬件实现的快速图像中值滤波算法，给出了用V ro D, ei gH L, l r￣

述语言在A T R L E A公司的C c n l￣4 - y l eI q L实现的系统设计方案及仿真结果。该方法可在图像 o -预处理系统中获得良好的滤波效果，并可满足其实时性要求。 关键词：中值滤波；F G P A;流水线；图像处理

0引言现代图像处理系统对实时性的要求愈来愈高，但图像的前端采集往往会受器件或环境影响而使获得的图像含有噪声。因而需要在对图像处理前进行去噪声处理。若使用通用的软件方法， 由于处理过程需要进行大量的简单计算，因此会消耗不少时间而影响系统的实时性。随着现代电子技术的发展，用 F G来完成中值滤波这类运 PA算简单但数据量巨大的处理，无疑是一种理想的选择。

板窗口。

中值滤波的过程一般为：

()选择一个 (n 1 (n 1 1 2+ ) 2+ )的窗 E一般 l(是 3 3者5 5,使窗 E沿图像数据的行方向和 x或 x1 l列方向从左至右、从上至下沿每个像素滑动。 ()每次滑动后，对窗 E内的像素灰度进行 2 l排序，并用中间值代替窗 E中心位置的像素灰度 l值。1快速中值滤波算法 . 2

中值滤波算法的核心是快速求出中间灰度值。传统的排序法如冒泡法，运算量巨大。而用硬件实现不仅要消耗大量的资源，而且运算速度很慢，难以满足图像系统处理的实时性要求。本文针对大小为 3 3窗口采用了一种快速排序算 x的法，可以在很大程度上减少运算量，且易于用较少的硬件资源实现。 图 l示是一个 3 3 E内的像素排列方式，所 x窗 l 该窗 E将窗 E内的各个像素点从左至右 .从上至 l l下依次定义为 D1、 D 2 D 3 D 1 D 2 l 1、 1、 2、 2、D2 3、 D3l、 D3 2、 D3 3。

1中值滤波的原理和快速算法

11中值滤波原理 .

中值滤波是一种非线性空域滤波方法。它是

可以有效抑制图像噪声，提高图像信噪比的非线性滤波技术。中值滤波首先对邻域点的灰度进行排序，然后选择中间值作为输出灰度值。与均值滤波器和其他线性滤波器相比，中值滤波可以很好的滤除脉冲噪声 f us e o e I l v i 1和椒盐噪声 mp i N s

(a n epr o e。同时能够很好的保护图像 SladPpe i ) t N s边缘轮廓的细节。中值滤波的公式如下：

处理时，先分别对每一行的数据进行排序， 以得到每一行的最大值、中间值和最小值。其中第一列第二列第三列

g= e{x i -)(∈S m d -, i, l f y} ) 其中，g , f

() 1

第一行第二行第三行

D1 1 D 1 2 D 1 3

D2 1 D2 2 D2 3

Dl 3 D3 2 D3 3

为像素灰度值，S为模

收稿日期： 0 7 0— 7 20— 9 2

图 1窗 1内的像素排列模式 7:

W Wed c 2 0 .电子元器件主用 5 W . c n 0 81 ca 7

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第 l卷 O

第l期

电手元器件主用Elcr n cCo o e t De ieAp l ain et i o mp n n& vc pi t s c o

Vo .O No 1 11 .

20年1 08月

Jn 0 8 a .2 0

第一行得到的最大值为：Ma l m x{ 1, 2 x=a D1 D1,D3 1};中间值为：M d= d{ D1, 3 e l me D1, 2D1}; l最小值为：M n= n f D1, 3 il mi D1, 2D1}; 1

口R AM的容量只要可以存储两帧图像数据即可。22 3 3口模块 . x窗

中值滤波作为图像预处理的一部分 .其实时性是一个关键的要求。它要求滤波器能快速、连续的处理图像数据。中值滤波的第一个问题是要准确获得3 3口中的图像灰度数据。图3 x窗给出了该滤波器的设计框图。 图 3的滤波器用到了两个兀F中 O。这种设计

同样，也可得到第二行的三个值Ma2Me 2 x, d, Mi2 n和第三行的三个值Ma3Me 3Mi3 x. d, n。由于在上述这九个数中，三个最大值中

的最大值一定是九个像素值的最大值。同理，三个最

小值中的最小值一定是九个像素值中的最小值。 三个中值中的最大值至少大于五个像素值；即本行的最小值和其他两行中的中值及最小值。而三个中值中的最小值至少小于五个像素值：即本行的最大值和其他两行的中值和最小值。所以，比较三个最大值中的最小值Mi o ma. n f x、三个中值——

可采用 Q ats中的M gcr实现。设计长度为 ur l uI e aoe一

行数据 (1 5 )￣ 2 6。系统开始工作后，先对 FF 2 1 IO 图像数据，直到F F也写满。在此期间，F F IO1 IO1

写第一行图像数据 .写满后再对 FF写第二行 IO1和 FF 2写不读。当完成两行数据的写入后， IO只

中的中间值Me_ fme以及三个最小值中的最大 do _ d值 M x o mi,所得到的中间值就是最终的滤波 a— f n—

将数据输入端和 FF、FF 2 i 2示进行连 IO1 I0￣图所]接，此时的FF和FF 2 IO1 IO只读不写，待三个时钟

结果 M d aa e d t。其具体过程如下；Mi o m=rn{ xlM 2M 3 n f a ri Ma, a, a}; x l x x——

周期后，将 FF 1 IO设为既读又写。这样， IO和FF 2 在寄存器输出端和两个FF的输出端即可获得第 IO一

Me o m d m d{ d, d, d}; d f e= e Me l Me2Me 3——

个3 3 x模板中的图像灰度数据。此后。随着图

M a o m n ra x f i=r l x——

{ n, n, n}; Mii 2Mi3 Mi

像数据的输入。模板也沿着图像从左至右、从上至下移动。

Me d t= d{ Mi— fma, Me— fme, d aa me n—— x o— d—— d o—Ma x—

o mi}; f n—

] 虹 =D1 2儿

虽然，与传统的排序方法相比.这种方法的比较次数大大减少。因为求出中值只用了l次比 9较运算，因而十分方便在F G上进行并行处理。 PA

兰

1=

.

2图像预处理系统和中值滤波器的设计21图像预处理系统设计 .

图 3中值滤波器设计框图

23模板中的数据排序 .

对图像的预处理，一

般应在前端采集之后立即进行。图2出了一个图像预处理系统的系统给设计框图。

数据排序可分为三步。第一步是对每行的数据进行排序。第二步是对第一步所得到的大值组、中值组、小值组进行排序。第三步是对第二步所得到的大值组中的最小值、中值组中的中值、小值组中的最大值进行排序，最后得到中值。

图 2图像预处理系统设计框图

具体用F G P A实现时，为了满足实时性要求，可采用流水线技术和并行处理方式。每一次数据排序的一个比较运算完成后，就把数据赋给下一

图2,图像数据经前端设备采集并经过A D中/

转化后，可存入双口R M中的一端。然后在选择 A控制模块的控制下将双口R M中的帧数据提供给 A中值滤波模块，同时在双口R M的另一端存入另 A一

级寄存器，并在下一个时钟周期做进一步处理。而该级寄存器则同时接收上一级寄存器传来的数据并进行相应的处理。本设计中共用了8级流水

帧图像数据。接着将中值滤波处理后的图像数

据存入S R D AM中，以供后续的进一步处理。双5 电子元嚣件主用 2 O . 8 081 d c n

线，同时并行处理三行图像数据的排序。这样，

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