基于FPGA的均值濾波算法的實(shí)現(xiàn)

我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像的濾波算法，用串口發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到FPGA開發(fā)板，經(jīng)FPGA進(jìn)行圖像處理算法后，動(dòng)態(tài)顯示到VGA顯示屏上，前面我們把硬件平臺(tái)已經(jīng)搭建完成了，后面我們將利用這個(gè)硬件基礎(chǔ)平臺(tái)上來實(shí)現(xiàn)基于FPGA的一系列圖像處理基礎(chǔ)算法。

椒鹽噪聲（salt & pepper noise）是數(shù)字圖像的一個(gè)常見噪聲，所謂椒鹽，椒就是黑，鹽就是白，椒鹽噪聲就是在圖像上隨機(jī)出現(xiàn)黑色白色的像素。椒鹽噪聲是一種因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)脈沖強(qiáng)度引起的噪聲，產(chǎn)生清楚該噪聲的算法也比較簡單。

均值濾波的方法將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成3x3的矩陣，然后求這個(gè)矩陣。在圖像上對(duì)目標(biāo)像素給一個(gè)模板，該模板包括了其周圍的臨近像素（以目標(biāo)象素為中心的周圍 8 個(gè)像素，構(gòu)成一個(gè)濾波模板，即去掉目標(biāo)像素本身），再用模板中的全體像素的平均值來代替原來像素值。

均值濾波

如圖所示，我們要進(jìn)行均值濾波首先要生成一個(gè)3x3矩陣。算法運(yùn)算窗口一般采用奇數(shù)點(diǎn)的鄰域來計(jì)算中值，最常用的窗口有3X3和5X5模型。下面介紹3X3窗口的Verilog實(shí)現(xiàn)方法。

（1） 通過2個(gè)或者3個(gè)RAM的存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)3X3像素窗口；

（2） 通過2個(gè)或者3個(gè)FIFO的存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)3X3像素窗口；

（3） 通過2行或者3行Shift_RAM的存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)3X3像素窗口；

要想用實(shí)現(xiàn)均值濾波和中值濾波，必須要先生成3x3陣列，在Altera系列里，可以用QuatusII調(diào)用IP核——shift_RAM，具體設(shè)置參數(shù)如圖所示。

如上圖所示，其中shiftin是實(shí)時(shí)輸入的數(shù)據(jù)，taps1x，taps2x輸入數(shù)據(jù)的第二三行，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入成一行三個(gè)時(shí)，自動(dòng)跳到下一行，最終形成每行是三列的一個(gè)矩陣，用均值濾波和中值濾波的處理方法即可，這樣基本是每一個(gè)目標(biāo)都可以找到自己對(duì)應(yīng)的一個(gè)3x3矩陣，最后進(jìn)行處理。先進(jìn)入IP核里面的是最開始的的數(shù)據(jù)，所以在讀出的時(shí)候也是要放在第一行。

Xilinx Vivado也有自己的Shift_RAM IP Core，不過這里只能緩存出來一行數(shù)據(jù)，我們這里需要兩個(gè)Shift_RAM IP Core和正在輸入的一行數(shù)據(jù)共同組成3行數(shù)據(jù)。這里調(diào)用兩個(gè)Shift_RAM IP Core將這兩個(gè)IP級(jí)聯(lián)起來就行了。

本系統(tǒng)主要用通過調(diào)用兩個(gè)shift_register IP核來生成3X3矩陣實(shí)現(xiàn)3X3像素窗口。shift_register IP核可定義數(shù)據(jù)寬度、移位的行數(shù)、每行的深度。這里我們需要8bit。640個(gè)數(shù)據(jù)每行，同事移位寄存2行即可。同時(shí)選擇時(shí)鐘使能端口clken。如圖所示。

像素?cái)?shù)據(jù)移位寄存

我們這里將行設(shè)置為12，所以可以明顯的看到，當(dāng)數(shù)據(jù)緩存到一行時(shí)，就會(huì)移位寄存到下一行，緩存兩行后便會(huì)生成3X3矩陣。

緩存的數(shù)據(jù)

比較緩存的第一行的數(shù)據(jù)在3x3矩陣中，占第一行，結(jié)果相同，顯然是正確的。最終生成的3x3矩陣結(jié)果顯然是正確的。

求總值

求均值

我們?cè)谟?jì)算均值的時(shí)候采用兩級(jí)流水線消耗了2個(gè)時(shí)鐘周期，所以最后要將輸給寫RAM使能的數(shù)據(jù)緩存使能延時(shí)兩個(gè)時(shí)鐘周期！學(xué)到一個(gè)延時(shí)的新寫法。

將3x3矩陣的中心像素的周圍八個(gè)點(diǎn)求和，我們這里還是采取流水線的設(shè)計(jì)方法，來增加吞吐量，然后再求平均值代替目標(biāo)像素的值，這里讀者可以自己思考怎么設(shè)計(jì)，從波形圖上觀察，計(jì)算的結(jié)果顯然是正確的。這樣便完成了均值濾波的仿真。

我們來看一下板級(jí)測試視頻：http://t.cn/RCJxiGF

最后我們來比較一下顯示效果，上圖為灰度圖像，下圖為均值濾波后的圖像，可以看出濾波后的圖像有一些模糊，這是因?yàn)榫禐V波就是將圖像做平滑處理，像素值高的像素會(huì)被拉低，像素值低像素會(huì)被拉高，趨向于一個(gè)平均值，所以圖像會(huì)變模糊一些。而且細(xì)心的人可以把圖片放大會(huì)看到，圖片上會(huì)有幾個(gè)白黑點(diǎn)，這其實(shí)就是椒鹽噪聲，我們文章開頭也說過了，椒鹽噪聲（salt & pepper noise）是數(shù)字圖像的一個(gè)常見噪聲，所謂椒鹽，椒就是黑，鹽就是白，椒鹽噪聲就是在圖像上隨機(jī)出現(xiàn)黑色白色的像素。均值濾波相當(dāng)于低通濾波，有將圖像模糊化的趨勢，對(duì)椒鹽噪聲基本無能力，所以顯示的圖片上會(huì)留下一些黑白點(diǎn)。