何德軍

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

紅外制導(dǎo)目前已經(jīng)成為導(dǎo)彈常用的尋的制導(dǎo)方式之一[1-2]，實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)紅外導(dǎo)引頭獲取的圖像進(jìn)行處理以提高圖像信噪比，增強(qiáng)對(duì)隱身類目標(biāo)的捕獲能力，其中，最常見(jiàn)的處理技術(shù)就是中值濾波[3]。中值濾波是由Tukey發(fā)明的一種非線性信號(hào)處理技術(shù)，早期應(yīng)用在一維信號(hào)處理領(lǐng)域，后來(lái)被應(yīng)用在二維數(shù)字圖像平滑領(lǐng)域[4-5]。它是一種基于排序統(tǒng)計(jì)理論，能有效抑制噪聲的非線性處理技術(shù)。如果使用線性低通濾波，在濾除噪聲的同時(shí)，也往往會(huì)對(duì)圖像中原有的清晰輪廓產(chǎn)生模糊效果[6]，而中值濾波除了具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)外，還能很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息，對(duì)噪聲尤其是脈沖噪聲有效濾除，非常適用于數(shù)字圖像處理[7]。

傳統(tǒng)的中值濾波方法，是排序整個(gè)鄰域窗口內(nèi)所有的像素值，然后對(duì)數(shù)值進(jìn)行排序?yàn)V波[8-9]，占用資源量大，計(jì)算耗時(shí)多，不適合實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。本文指出了傳統(tǒng)中值濾波方法的不足，通過(guò)改進(jìn)中值濾波算法直接找出像素值中的最大值、中間值和最小值，從而找出需要的中間值。與傳統(tǒng)方法相比，該方法減少了邏輯資源的占用和計(jì)算量，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)也方便在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(field-programmable gate array)上實(shí)現(xiàn)。

1 FPGA模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊是整個(gè)數(shù)字圖像信息處理機(jī)預(yù)處理的核心，所有的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)FPGA控制，并且FPGA還直接承擔(dān)著圖像處理底層的大量卷積和乘加運(yùn)算[10]，所以該模塊的設(shè)計(jì)直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算速度。系統(tǒng)選定Virtex4系列中的XC4VSX35作為FPGA處理芯片，中值濾波在FPGA的圖像預(yù)處理模塊中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。FPGA模塊功能框圖如圖1所示。

2 傳統(tǒng)中值濾波算法

一個(gè)大小為N×N(N取奇數(shù))的濾波窗口W作用于二維序列圖像{Xij,(i,j)∈Z2}，此時(shí)中值濾波器可定義為

yij=Med{XijW}=Med{Xi+r,j+s,(r,s)∈W},

(i,j)∈Z2.

(1)

(2)

對(duì)于3×3的數(shù)組，需要作30次運(yùn)算，而對(duì)于5×5的數(shù)組，則需要作234次二值比較。可見(jiàn)，隨著模板數(shù)組的增大，運(yùn)算量急劇增加，使得圖像處理速度明顯下降。并且，隨著需要的寄存器不斷加大，資源占用率激增，容易使后繼程序處理資源不足，有時(shí)甚至需要考慮選用高成本的處理器，延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。

3 改進(jìn)的中值濾波算法

改進(jìn)算法基于三輸入排序單元(每個(gè)三輸入單元由若干二輸入單元構(gòu)成)，共進(jìn)行了三級(jí)排序操作，每一級(jí)采用了流水線緩存技術(shù)，使得每一組3×3濾波窗口內(nèi)的輸入像素值在每一時(shí)鐘節(jié)拍都得到處理，極大地提高了算法的處理效率。該算法分3個(gè)步驟找出中值：

(1) 使濾波窗口中每列的像素值按最大值、中間值和最小值排列(垂直排序)；

圖1 FPGA模塊功能框圖Fig.1 Function block diagram of FPGA module

(2) 使濾波窗口中每行的像素值按最小值、中間值和最大值排列(水平排序)；

(3) 使濾波窗口中對(duì)角線的像素值按最大值、中間值和最小值排列(對(duì)角排序)。

最后處于該濾波窗口中心的值即為中值，改進(jìn)算法示意圖如圖2所示。

圖2 中值濾波改進(jìn)算法示意圖Fig.2 Improved algorithm diagram for median filtering

3.1 二輸入排序單元

二輸入排序單元是構(gòu)成三輸入排序單元的基礎(chǔ)。二輸入排序單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，由一個(gè)幅度檢測(cè)子模塊和一個(gè)交換輸出子模塊組成。幅度檢測(cè)子模塊根據(jù)2個(gè)輸入數(shù)據(jù)的比較產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)交換的信號(hào)(‘0’或‘1’)，交換輸出子模塊根據(jù)此信號(hào)決定是否交換輸入數(shù)據(jù)，使較大的輸入數(shù)據(jù)和較小的輸入數(shù)據(jù)分別由高、低2個(gè)輸出端口輸出。

圖3 二輸入排序單元Fig.3 Two-input taxis unit

3.2 三輸入排序單元

三輸入排序單元由3個(gè)二輸入排序單元組成，經(jīng)過(guò)3次兩兩輸入比較，即可找出最大值、中間值和最小值。由于二輸入排序單元由組合邏輯電路構(gòu)成，三輸入排序單元要用到3個(gè)二輸入排序單元，如果3個(gè)二輸入排序單元直接連接，電路耗時(shí)會(huì)很大，為保證系統(tǒng)時(shí)鐘可靠工作，整個(gè)電路的時(shí)鐘頻率就不可能太高，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈蓙y。本模塊采用了3級(jí)流水處理，其組成及流水線處理如圖4所示，這樣，經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，在其后的每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)完成3個(gè)像素的排序，整個(gè)電路可以工作在較高的時(shí)鐘頻率。

3.3 中值濾波改進(jìn)算法

中值濾波具體改進(jìn)算法流程如圖5所示。圖中實(shí)線表示3×3單元中每列排序后最大值輸出，短虛線表示中值輸出，長(zhǎng)虛線表示最小值輸出。在中值濾波設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了流水線設(shè)計(jì)的思想，由于中值濾波的整個(gè)數(shù)據(jù)處理是“單流向”的，即沒(méi)有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，采用流水線設(shè)計(jì)方法提高了系統(tǒng)的工作頻率，因?yàn)殡m然流水線方式會(huì)引入延遲，但經(jīng)過(guò)延遲后，每個(gè)時(shí)鐘周期都可以輸出一個(gè)處理后的像素?cái)?shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的工作頻率。

圖5中，最開(kāi)始的三輸入排序模塊通過(guò)復(fù)用，將3×3鄰域窗口內(nèi)像素每3個(gè)按大小排序，經(jīng)過(guò)緩存后，9個(gè)像素分3組(3個(gè)最大值、3個(gè)最小值和3個(gè)中值)并行輸出，又使用3個(gè)排序模塊，找出最大值組的最小值，最小值組的最大值和中值組的中值并比較，最終找出中值，與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，計(jì)算量減少約60%。

圖4 三輸入排序單元Fig.4 Three-input taxis unit

圖5 改進(jìn)算法流程Fig.5 Improved algorithm flow

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)從定制的ROM中依次讀出。從圖6中值濾波仿真波形時(shí)序圖可以看出，該設(shè)計(jì)模塊正確地實(shí)現(xiàn)了中值濾波功能。其中，clk為仿真時(shí)鐘，lar為對(duì)最大值的排序，mid為對(duì)中值的排序，lit為對(duì)最小值的排序，在統(tǒng)一的時(shí)鐘節(jié)拍下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出中值data_med，完成圖像的中值濾波。

為檢驗(yàn)改進(jìn)后的FPGA快速中值濾波實(shí)際處理效果，選取一幅橋梁灰度圖像作為典型處理圖像，在灰度圖像中加入椒鹽和高斯噪聲，然后使用快速中值濾波對(duì)加入噪聲的圖像進(jìn)行處理，與原灰度圖像進(jìn)行比對(duì)，實(shí)際處理效果如圖7所示。

圖6 仿真波形時(shí)序圖Fig.6 Wave mode time series diagram of simulation

圖7 快速中值濾波處理效果圖Fig.7 Fast median filtering processing effect diagram

從改進(jìn)算法后的圖像實(shí)際處理效果來(lái)看，該方法能在濾除噪聲的同時(shí)保留圖像的邊緣信息，提高紅外圖像的動(dòng)態(tài)范圍并消除非均勻性等影響，有效改善圖像質(zhì)量。相較于中值濾波的傳統(tǒng)算法，大幅減少邏輯資源的占用和計(jì)算量，提高圖像處理速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于FPGA的圖像中值濾波改進(jìn)算法，采用直接找出像素值中最大值、中間值和最小值的方法，快速找出需要的中間值，從而大幅減少邏輯資源的占用和計(jì)算量，起到縮短圖像處理時(shí)間的效果，有效改善了傳統(tǒng)算法占用資源量大、計(jì)算耗時(shí)多的不足。該方法能有效抑制圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量，提高圖像處理速度，降低開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅海波,史澤林.紅外成像制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].紅外與激光工程,2009,38(4):565-573.

LUO Hai-bo,SHI Ze-lin.Status and Prospect of Infrared Imaging Guidance Technology[J].Infrared and Laser Engineering,2009,38(4):565-573.

[2] 楊衛(wèi)平,沈振康.紅外成像導(dǎo)引頭及其發(fā)展趨勢(shì)[J].激光與紅外,2007,37(11):1129-1136.

YANG Wei-ping,SHEN Zhen-kang.Infrared Image Seeker Technique and Its Development Trend [J].Laser & Infrared,2007,37(11):1129-1136.

[3] 蔡毅,胡旭.短波紅外成像技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2006,35(6):643-647.

CAI Yi,HU Xu.Short Wave Infrared Imaging Technology and Its Defence Application[J].Infrared and Laser Engineering,2006,35(6):643-647.

[4] 陳兆峰,李勇.紅外搜索跟蹤技術(shù)發(fā)展研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2009,37(2):116-118.

CHEN Zhao-feng,LI Yong.Research on Development of Shipborne Searching and Tracking Technology [J].Modern Defence Technology,2009,37(2):116-118.

[5] 鐘堅(jiān).紅外成像制導(dǎo)武器的裝備與發(fā)展[J].艦船電子工程,2008,168(6):27-29.

ZHONG Jian.Equipment and Development Tendency of the Infrared Imaging Quidance Weapon[J].Ship Electronic Engineering,2008,168(6):27-29.

[6] 周軍龍,呂相銀,周元璞.艦艇紅外隱身技術(shù)的探討[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2012,40(6):113-117.

ZHOU Jun-long,Lü Xiang-yin,ZHOU Yuan-pu.Investigation on the Infrared Stealth Technique of Naval Vessels[J].Modern Defence Technology,2012,40(6):113-117.

[7] 李飛飛,劉偉寧,王艷華.改進(jìn)的中值濾波算法及其FPGA快速實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(14):175-177.

LI Fei-fei,LIU Wei-ning,WANG Yan-hua.Improved Median Filtering Algorithm and Its Fast Implementation in FPGA[J].Computer Engineering,2009,35(14):175-177.

[8] 趙超,楊號(hào).紅外制導(dǎo)的發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制,2008,15(5):48-53.

ZHAO Chao,YANG Hao.A Survey on Development Trends and Key Technologies of Infrared Guidance Systems[J].Electronics Optics & Control,2008,15(5):48-53.

[9] 石艷霞,蔡輝,姜娜.彈載紅外成像制導(dǎo)技術(shù)若干問(wèn)題分析[J].紅外與激光工程,2007,36(6):225-227.

SHI Yan-xia,CAI Hui,JIANG Na.Analysis of Some Problems on Missile Borne Infrared Imaging Guiding[J].Infrared and Laser Engineering,2007,36(6):225-227.

[10] 王燕峰,吳新建.一種基于FPGA的系數(shù)對(duì)稱3×3卷積器的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù),2004,2(3):41-43.

WANG Yan-feng,WU Xin-jian.Design of Coefficient Symmetry 3×3 Convolver Based on FPGA [J].Optics & Optoelectronic Technology,2004,2(3):41-43.

[11] 田佳琳,鄭賓,李琴.基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像處理方法研究[J].工業(yè)計(jì)量,2011,21(1):5-8.

TIAN Jia-lin,ZHENG Bin,LI Qin.Research on Realtime Infrared Image Processing Method Based on FPGA[J].Industrial Measurement,2011,21(1):5-8.

[12] 章毓晉.圖像處理和分析技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002:58-75.

ZHANG Yu-jin.Image Processing and Analysis Technology[M].Beijing:Higher Education Press,2002: 58-75.