圖像是人類獲取外界信息的重要途徑,，圖像的清晰度直接影響到人們對其的觀察以及進(jìn)一步的分析研究,。圖像的采集、傳輸,、存儲等環(huán)節(jié)通常會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的降低,。因此，為了改善圖像的質(zhì)量,，必須對圖像進(jìn)行濾波,、平滑等預(yù)處理操作。但是,，由于實(shí)際處理的數(shù)據(jù)量巨大,，預(yù)處理的過程往往達(dá)不到系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。近年來,，微電子技術(shù)和超大規(guī)模的集成電路制造技術(shù)的發(fā)展,，特別是FPGA的發(fā)展，為提高圖像處理系統(tǒng)各種性能提供了新的思路和方法,。FPGA在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了硬件并行和流水線(Pipeline)技術(shù)，適于模塊化設(shè)計(jì),；同時(shí)其開發(fā)周期短,，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，能夠大大提高圖像數(shù)據(jù)的處理速度,，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求[1],。

    中值濾波作為一種空域?yàn)V波技術(shù)，能有效地去除脈沖噪聲和椒鹽噪聲,，同時(shí)還能較好地保留圖像的邊緣信息,，在圖像預(yù)處理中應(yīng)用廣泛,。雖然中值濾波算法處理的數(shù)據(jù)量大，但其運(yùn)算簡單,，重復(fù)性強(qiáng),，存在較大的并行性，可由硬件映射到FPGA架構(gòu)中[2-3],。另外,，由于中值濾波算法處理后的圖像存在邊緣模糊的問題，因此,，本文對快速中值濾波算法提出了一些改進(jìn),，通過加入閾值比較的環(huán)節(jié),更好地保留了圖像的細(xì)節(jié)信息。最后,，基于FPGA硬件平臺實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的快速中值濾波算法,，大大提高了圖像的處理速度。
   
    針對傳統(tǒng)中值濾波算法的一些快速中值濾波算法已經(jīng)被提出[7-10],。參考文獻(xiàn)[7]提出了一種將3×3窗口的像素值先按列降序排序,，然后再按行降序排序，最后取對角線上的元素作為模板中值輸出的快速中值濾波算法,相對于需要進(jìn)行36次比較運(yùn)算的傳統(tǒng)的中值濾波算法,，這種快速中值濾波算法的比較次數(shù)明顯減少,，僅為21次。參考文獻(xiàn)[8]提出了采用3×3像素的十字型中值濾波結(jié)構(gòu)模板,，對快速中值濾波算法進(jìn)行改進(jìn),，只需對5個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行排序，從而減少了數(shù)據(jù)比較的次數(shù),，該算法的比較次數(shù)為24次,。參考文獻(xiàn)[9]提出了一種先取模板各個(gè)水平行的中值，再求出這些水平行中值的中值,，以此作為濾波結(jié)果的快速中值濾波算法,，該算法在最壞情況下的比較次數(shù)為12次。
    同時(shí),，為了更好地保留圖像的細(xì)節(jié)信息,，參考文獻(xiàn)[10]提出了在傳統(tǒng)的中值濾波算法中加入閾值判定的方法，即設(shè)定一個(gè)閾值TH后,，按傳統(tǒng)的算法算出初始的中值,，將當(dāng)前中值與模板的中心值的差的絕對值與閾值進(jìn)行比較，若判定結(jié)果大于閾值,，則判定中心點(diǎn)為噪聲點(diǎn),，用求的中值代替中心值，否則保留原有的中心值。
2 改進(jìn)的快速中值濾波算法及分析
    為了減少圖像濾波后的誤差,，提高圖像處理的速度,，本文提出了一種改進(jìn)的快速中值濾波算法。采用3×3模板,，以快速中值濾波算法為基礎(chǔ)來尋找中值,，通過閾值約束條件，判斷中值是否為有效數(shù)據(jù),。算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
    (1)獲取大小為m×n的原圖像,，對圖像加入5%的椒鹽噪聲；
    (2)圖像擴(kuò)展,使其大小為(m+2)(n+2),；
    (3)將模板在圖像上按行列滑動,，如果未到達(dá)循環(huán)結(jié)束條件，則轉(zhuǎn)到步驟(4),；
    (4)對模板中水平行的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,，取每一行第2個(gè)位置上的值，然后再對3行的中值進(jìn)行排序,，取其中值,；
    (5)判斷該中值是否為所需的有效數(shù)據(jù)，將所求的中值和中心點(diǎn)值做差,，將差值與事先設(shè)定的閾值TH按式(2)進(jìn)行比較,；
   
　分別采用基于上述參考文獻(xiàn)的算法以及本文的算法對圖像進(jìn)行處理。各個(gè)算法MMSE的比較結(jié)果如圖1所示,。

    由圖1可以看出本文提出的改進(jìn)算法比其他算法的MMSE值都小,，能獲得較好的處理效果。圖2給出了本文改進(jìn)算法對加入5%椒鹽噪聲的圖像的處理效果,。
    結(jié)合圖1和圖2可知,，增加閾值判定的算法在細(xì)節(jié)保護(hù)和去噪之間能達(dá)到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)，本文的改進(jìn)算法處理效果明顯較好,。

3 算法的硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 總體設(shè)計(jì)方案
    FPGA硬件化設(shè)計(jì)遵循并行流水機(jī)制,，分別采用各自獨(dú)立的處理通道，對同一段時(shí)間內(nèi)需要處理的所有任務(wù)同時(shí)進(jìn)行處理,處理時(shí)間從多個(gè)任務(wù)所需時(shí)間之和降至最慢任務(wù)所需的時(shí)間,。為了便于在FPGA上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的中值濾波算法,，本文以3×3像素模板處理512×512像素的灰度圖像為例，進(jìn)行了硬件化的設(shè)計(jì),，總體設(shè)計(jì)方案主要包括比較排序模塊的設(shè)計(jì)和控制電路的設(shè)計(jì),如圖3所示,。

3.2  三點(diǎn)排序模塊的設(shè)計(jì)
    每個(gè)三點(diǎn)排序模塊都用了3個(gè)比較器對3行數(shù)據(jù)進(jìn)行并行比較排序。在一個(gè)時(shí)鐘周期下,，每次比較3個(gè)輸入信號，輸出信號為每行的中值。當(dāng)時(shí)鐘觸發(fā)下一級的比較器后,，各行輸出的中值信號作為下一個(gè)排序的輸入信號,，最后再加入一個(gè)比較器對所得中值進(jìn)行判斷。這樣,，總處理時(shí)間只是其中關(guān)鍵模塊的處理時(shí)間,，處理速度是順序執(zhí)行的兩倍。
3.3 控制電路的設(shè)計(jì)
    控制電路控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,，是硬件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn),。本設(shè)計(jì)的控制電路分為兩部分：
    (1)控制不連續(xù)信號的輸入和數(shù)據(jù)緩存
    由于圖像信號是按串行的方式輸入到系統(tǒng)中，因此需要通過控制信號使系統(tǒng)保持在并行流水的工作模式中,?？紤]實(shí)際工作中，圖像信號的輸入可能是不連續(xù)的,，故采用FIFO緩存模塊來保存數(shù)據(jù),。當(dāng)FIFO模塊不為空時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生局部時(shí)鐘使能信號來保證系統(tǒng)計(jì)算的正確性,。
    (2)控制圖像邊界點(diǎn)的輸出和對有效信號的選取
    中值濾波算法在處理圖像時(shí),，只處理圖像內(nèi)部的像素，而邊界上的像素保持不變,，因此需要在FPGA系統(tǒng)中加上對邊界點(diǎn)的處理并選取有效信號的輸出,，此處理由控制模塊完成。對于選定的512×512像素的圖像,，其4條邊界上有2044個(gè)邊界點(diǎn),，系統(tǒng)需要對這些邊界點(diǎn)進(jìn)行判定，并完成有效數(shù)據(jù)的正確輸出,。
4 測試結(jié)果及分析
    實(shí)驗(yàn)采用了Altera的具有高密度低成本Cyclone系列的EP2C70F896C6N芯片,，利用DSP-builder11.1實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)，并通過Quartusii11.1對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試和仿真,，同時(shí)利用modelsim10.0c完成時(shí)序仿真,。modelsim10.0c的仿真結(jié)果如圖4所示。
    由圖4可知,，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)計(jì)結(jié)果一致,。因此，設(shè)計(jì)電路具有良好的穩(wěn)定性,。本文給出了硬件實(shí)現(xiàn)不同算法的效果對比情況,，如表1所示。

    由表1可知,對于一幅512×512像素的圖像,，本文改進(jìn)的基于FPGA的快速中值濾波算法在硬件上能達(dá)到的最高工作頻率為231.21 MHz,，處理時(shí)間約為1.13 ms,，比軟件實(shí)現(xiàn)該算法的速度快11倍；與傳統(tǒng)的中值濾波算法和參考文獻(xiàn)[7]算法的硬件結(jié)構(gòu)相比,，本文改進(jìn)算法耗費(fèi)的邏輯單元和寄存器較少,，占用硬件資源更少，從而達(dá)到較高的工作頻率,以滿足圖像實(shí)時(shí)處理的要求,。
    本文通過對快速中值濾波算法的改進(jìn),，能夠減少算法排序量，更好地保護(hù)圖像的細(xì)節(jié)信息,。改進(jìn)的算法具有較高的內(nèi)在并行性,，易于在FPGA上實(shí)現(xiàn)。硬件實(shí)現(xiàn)的算法對圖像的處理能達(dá)到較高的工作頻率,，且占用資源較少,，適合圖像的實(shí)時(shí)處理。
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