華中光電技術(shù)研究所——武漢光電國家實驗室　朱祥路　丁　捷

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基于FPGA實現(xiàn)的圖像中值濾波算法

華中光電技術(shù)研究所——武漢光電國家實驗室朱祥路丁捷

【摘要】中值濾波是數(shù)字圖像處理中一種常用的濾波技術(shù)，對噪聲有良好的處理效果。利用FPGA并行處理架構(gòu)的特點，詳細介紹了一種在FPGA上實現(xiàn)對紅外圖像進行中值濾波處理的方案。實驗結(jié)果表明，該濾波方案運用在紅外成像系統(tǒng)中能有效抑制圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】中值濾波；圖像處理；FPGA

1　引言

圖像濾波是數(shù)字圖像處理的一個基本內(nèi)容，在盡量保留圖像細節(jié)特征的條件下對目標圖像的噪聲進行抑制，是圖像預(yù)處理中不可缺少的操作，其處理效果的好壞將直接影響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可靠性。

任何一幀由探測器輸出，只是經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的原始紅外圖像都不可避免的包含噪聲。噪聲產(chǎn)生原因是十分復(fù)雜的，有器件內(nèi)部的原因，例如紅外探測器中感光單元的顆粒噪聲、A/D模塊的量化噪聲、信號讀出電路的附加噪聲等；同時也存在外部原因，紅外背景輻射的光子起伏、信號傳輸信道收到的外部干擾等。這些噪聲一定程度上降低了圖像質(zhì)量，嚴重時可能導(dǎo)致關(guān)鍵信息丟失，給后續(xù)的圖像分析增加了較大麻煩[1]。

為了減少和消除這些噪聲，圖像濾波必不可少。中值濾波是常用濾波技術(shù)中的一種，是一種非線性的空間濾波器，它的響應(yīng)基于圖像掩模包圍的圖像區(qū)域中像素的排序，然后用統(tǒng)計排序結(jié)果決定的值代替中心像素的值，具有運算簡單、速度快、除噪效果好等優(yōu)點[2-3]。

2　算法原理

中值濾波是針對圖像中每個像素的鄰域，取出鄰域內(nèi)所有像素點的灰度值并將這些灰度值排序，取出中間值作為鄰域中心像素點的新灰度值[4]。

定義一個點的鄰域是利用正方形或矩形的子圖像。如圖1所示，(x,y)點的鄰域即是圖像中以(x,y)點為中心3×3尺寸的正方形子圖像，這個子圖像稱之為濾波器或掩模。掩模的長與寬并不固定，對于m×n的掩模，m與n都應(yīng)是奇數(shù)，且有意義的最小掩模尺寸為3×3。以3×3掩模為例，在原圖像中逐點移動掩模，在每一個(x,y)點處都可得到掩模下對應(yīng)的原圖像像素，即(x-1,y-1)，(x-1,y)，(x-1,y+1)，(x,y-1)，(x,y)，(x,y+1)，(x+1,y-1)，(x+1,y)，(x+1,y+1)。將這些點按照其灰度值的大小進行排序，取中間的值作為中值濾波后點(x,y)的灰度值。

圖1　圖像中(x,y)點3x3掩模

中值濾波器去除的是那些相對于鄰域像素更亮或更暗的孤立像素點，對于較大的像素集影響較小。因此在紅外圖像處理中，中值濾波器能很好的去除噪聲，對圖像中目標或背景這些區(qū)域較大的像素集影響則非常小。

3　算法的fpga實現(xiàn)

紅外圖像的預(yù)處理包含了非均勻性校正、濾波與壞元處理，本系統(tǒng)中都由FPGA完成。FPGA模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，需要完成對紅外探測器經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸出圖像的采集、圖像非均勻性校正、圖像濾波、壞元處理、DSP控制、外部SRAM乒乓操作、字符疊加、十字絲顯示等功能。中值濾波算法的實現(xiàn)主要由3×3掩模功能與中值排序功能模塊完成，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過非均勻性校正后進入濾波模塊，先通過3×3掩模功能單元在FPGA同一刻時鐘下輸出掩模下的所有數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)經(jīng)過中值排序單元完成排序，最后輸出掩模中的中值。

3.13×3掩模模塊

在本設(shè)計中，輸入圖像的像素時鐘同時也作為FPGA的主頻時鐘。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)輸入中值濾波模塊，在每個時鐘下掩模模塊都會輸出以此刻輸入像素點(x,y)為中心3×3范圍內(nèi)的9個值。隨著圖像輸入，(x,y)點會逐點遍歷圖像的每個點。

視頻的圖像數(shù)據(jù)來源為某國產(chǎn)線陣制冷紅外探測器，其輸出形式是將14位的圖像數(shù)據(jù)一列一列順序輸出。3×3尺寸的掩模至少需要圖像相鄰的3列數(shù)據(jù)才能進行運算，因此在FPGA中對視頻圖像數(shù)據(jù)進行實時處理時，需要建立一個圖像的存儲緩沖機制，為提取圖像中值運算及時準確的提供圖像數(shù)據(jù)。

FPGA內(nèi)部提供了fifo與ram兩種存儲單元，本文采用的是用fifo來對圖像每列數(shù)據(jù)進行緩存。由于要從相鄰的3列數(shù)據(jù)中每列讀取相鄰的3個數(shù)，而且需要保證掩模模塊輸出的數(shù)據(jù)對齊，因此使用3個fifo儲存列數(shù)據(jù)，3組寄存器存儲每列相鄰的數(shù)。

圖2　3×3掩模模塊框圖

如圖2所示，將fifo進行串接，圖像的每列數(shù)據(jù)依次進入fifo1、fifo2、fifo3，且一個fifo只存儲一列圖像。當(dāng)新的一列數(shù)據(jù)開始進入到fifo1時，從fifo1中讀出數(shù)據(jù)到fifo2，fifo2中的原數(shù)據(jù)則讀入到fifo3。fifo1存儲完一列新數(shù)據(jù)時，fifo2中則保存了圖像上一列數(shù)據(jù)，fifo3中存儲了上上列數(shù)據(jù)，這樣以保證3個fifo中剛好存有圖像相鄰的3列數(shù)據(jù)。在更新fifo的同時，數(shù)據(jù)寫入到寄存器中。從每個fifo中出來的列數(shù)據(jù)都依次被讀入3個寄存器，用來存儲一列數(shù)據(jù)中相鄰的3個像素值，這9個寄存器中的數(shù)據(jù)即對應(yīng)圖像3×3鄰域中的像素值。在某時鐘時刻下各個寄存器中的值與3×3掩模對應(yīng)的關(guān)系如圖3所示。

圖3　掩模與寄存器對應(yīng)關(guān)系圖

data22即為3×3掩模中心點的灰度值，當(dāng)該點是圖像邊緣的像素時，9個寄存器中的數(shù)據(jù)會有無效值的存在，故無法滿足計算中值的條件。在這種特殊情況下，中值濾波的結(jié)果直接輸出原圖像本身的灰度值。

3.2中值排序

一般常用的排序算法有插入排序、希爾排序、選擇排序、堆排序、冒泡排序等，通常這些算法在上位機上運行時，時間復(fù)雜度較高，運算量較大，很難滿足圖像實時處理的要求。在FPGA中可利用流水線操作與并行處理的優(yōu)勢，將3×3掩模中每列每行的數(shù)據(jù)先單獨排序，然后得出中間值，排序過程如圖4所示：

圖4　 中值排序流程

將3×3掩模模塊輸出的9個數(shù)據(jù)各列先進行排序，然后各行再排序，再對對角線上5、4、6三個數(shù)據(jù)排序，最后中心位置上的值5即為中間值。

在FPGA中實現(xiàn)算法時，各列或各行中3個值可以先比較其中兩個值的大小，比較結(jié)果中的較小的值再與第三個值比較，第二輪比較結(jié)果中的較小值即為單行或單列中的最小值，第二輪中的較大值與第一輪比較中的較大值再進行第三輪比較，結(jié)果的最大值即為3個數(shù)中的最大值，較小值即是中間值。如圖5所示。

圖5　三個數(shù)排序流程

上述操作進行了3次比較，在FPGA中用3個clk即可完成排序。將此排序模塊作為求中值排序的基本單元，總共需要進行3輪排序。如圖6，第一輪進行列數(shù)據(jù)排序，三列數(shù)據(jù)分別進行排序，可以得到3組較大值、中間值、較小值。第二輪進行行數(shù)據(jù)排序，行排序其實就是用上一輪得到的較大值作為一組數(shù)據(jù)排序，中間值作為一組數(shù)據(jù)排序，較小值作為一組數(shù)據(jù)排序。第三輪則用第二輪中較大值排序得出的最小值、中間值排序得出的中間值與較小值排序得出的較大值，三個值進行比較排序，得出的結(jié)果及為整個中值排序所求的值。

圖6　中值排序模塊框圖

4　功能實現(xiàn)

在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA選用的是Altera公司型號為EP3C120F780I7N的工業(yè)級FPGA。在開發(fā)環(huán)境Quartus下使用Verilog HDL語言完成設(shè)計，并對其功能與時序進行了驗證、仿真。使用Camlink采集卡采集經(jīng)過FPGA處理后的紅外視頻圖像，并在PC機上進行實時播放顯示。分別對未經(jīng)過中值濾波處理與經(jīng)過中值濾波處理之后的視頻截圖，截取局部圖像進行對比，如圖7所示。

圖7　濾波前(左)后(右)對比圖像

從以上圖像對比可以看出，未經(jīng)中值濾波處理的圖像由于探測器或前端線路干擾噪聲的緣故導(dǎo)致圖像上會偶爾出現(xiàn)閃爍的奇異點，而經(jīng)過中值濾波處理后的圖像則不存在此種現(xiàn)象，濾波去除噪聲的效果良好。

另外，3×3掩模模塊因為需要預(yù)先暫存第一列圖像數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理延時增加。在本系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)的列同步信號周期為20μs，F(xiàn)PGA主頻時鐘為54.4MHz，可知理想狀況下，對實時采集的圖像進行中值濾波處理時，會造成不到21μs的延時（3×3掩模模塊延時約20μs，中值排序模塊延時約0.17μs），人眼基本感覺不到。所以該濾波方案在不會大量增加圖像處理延時的基礎(chǔ)上，極大改進了圖像的質(zhì)量，提升了紅外成像系統(tǒng)的性能。

5　結(jié)論

圖像濾波是紅外圖像處理中的重要組成部分，本文詳細介紹了中值濾波的算法原理，并從工程應(yīng)用角度出發(fā)，將算法在FPGA中進行了實現(xiàn)，并對其實現(xiàn)的方式進行了詳細的說明。實驗結(jié)果表明，采用中值濾波的方式能有效去除紅外圖像中的奇異點，提升圖像質(zhì)量，并且實現(xiàn)方式簡單，運算速度快，資源消耗低。

參考文獻

[1]胡耀祖.紅外圖像預(yù)處理算法研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[2]李飛飛,劉偉寧,王艷華.改進的中值濾波算法及FPGA快速實現(xiàn)[J].計算機工程,2009,35(14):175-177.

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[4][美]Rafael C.G,Richard E.W.Digital Image Processing[m],第二版.阮秋琦譯注.北京:電子工業(yè)出版社,2009:91-98.