（信息与通信工程专业论文）红外图像信息处理系统预处理及周边模块设计.pdf

国防科学技术大学研究生院丁学硕士学位论文 摘要 随着红外热成像技术的发展，非制冷红外探测器应用在越来越广泛的领域。而随着现 代f p g a 技术的发展，f p g a 已成为当今硬件设计的首选方式之一。本文设计的非制冷红 外图像信息处理机系统采用f p g a 与d s p 相结合的模式，利用f p g a 完成所有的外围模 块的设计。 本论文按照处理机的工作流程，首先讨论f p g a 与视频探测器之间的数据通讯模块 的设计，接着介绍了图像预处理模块，在预处理模块中，重点介绍了一种改进的二维中值 滤波方法和一种特别适于硬件实现的边缘检测算法：在第四章，讨论了用f p g a 实现图 像获取和模拟视频输出：第五章，讨论了f p g a 与d s p 之间以及f p g a 与弹上机之间的 通讯模块的设计，接着重点研究了一种新的v e r n o g 语言的描述风格，并用此写法在上 f p g a 实现对外围设备的初始化模块：最后，对本文所做的工作进行了总结。 本文所有设计都经过严格的仿真验证。 关键明：图像获取，中值滤波，边缘检测，视频输出，m c b s p ，h 】) l c ，陀c ，周期 精确，f p g a 第v j 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f h r e dt h e m l a li m a g i n gt e c h l l o l o g y u n c o o l e di n f h r e dc e n s o r h a sb e e nu s e di nm o r ea n dm o r cf i e l d s a n dw i t ht h ed e v e l o p m c n to ff p ( 认t e c l l n o l o g y f p g a h a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c eo fm o s th a r d w a r ed e s i g n e r s w bd e s i g n 蛆u n c o o l e di 耐 a r e di m a g e i n f o 砌a t i o np r o c e s ss y s t e mw n hf p g aa n dd s p ，a n da i ip 鲥p h e r a i 血n c t i o n sa r ei m p i e m e n t e d o nf p g a b a s e do nm es t m c t u r ea n dw o r kn o wo ft h es y s t e m ，t h et h e s i sd e s c b e st h ed e s i 譬no f 也e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nm eu n c o o l e di n 盘a r c dc e n s o ra n df p g a ，m e nd e s c r i b e st h e i m a g ep r e p r o c e s sm o d u 】e i nt h i sm o d u 】e ，w ef b c u so na ni m p r o v e d2 dm e d i a n 一矗l t e ra n da r e a lt i m ee d g ed e t e c ta l g o r i t h mw h i c hh a sv e r yr e g u l a rc o r 印u t a t i o n a ls m l c t u r e i nc h 印t e r4 ，w e u s ef p g at oc a p t u r et h ei m a g ed a t af 沁mi n f r a r e ds e n s o ra n dc r c a t et h es y n c h r o n i z “o ns i g n a l a n do u t p u tt h ev i d e ot om o n i t o c h a p 搬5d e s c 订b e st h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e nd sp ，f p g aa n dm i s s i l ec o r l 仃o ls y s t e m ，a n df o c u so nan e wv b r n o 窟d e s c r i p t i o ns t v l e c a l l e dc y c 】ea c c u r a t e ，a n df j n a l 】yw ed e s j g l la 1 1i 。cb u su s j n gm i sd e s 谢p t i o ns t ) ，l e i nt b ee n d o f t h i st h e s i s w es u m m a r i z ea l lw o r k so f t h i s 血e s i s a 1 ld e s i g ni nt h i st h e s i sh a sb e e ns y n 也e s i z e di m p l e m e n t e do nf p g a k e y w o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，m e d i a n f i l t e r ，e 姑ed e t e c t i o n ，v i d c oo u q ) u t ，m c b s p h d l c ，1 2 c ， c y c l ea c c u r a t e ，f p g a 第v i 页 例i l 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 圈3 5 图3 6 图3 7 圈3 _ 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 圈3 】3 图3 1 4 圈3 15 圈4 【 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 网4 7 图4 8 闰4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 一1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 圈4 。1 7 图4 一1 8 翻4 一1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图目录 红外探洲擗分类2 f 。j 息处理机结构框图5 完社的f p g a 设计流程7 州ij j ，! ； 滤波窗大小为3 3 的快速叶1 值滤波算法lc n n 窗u 的快速中值滤波算法流程图10 池波窗大小为5 5 的快速叶1 值滤波器算法1 0 小同窗大小所需要的比较次数1 1 ，1 值滤波结构框图”1 1 维巾俯滤波v e r i l o g 编程的软件结构1 2 衡l | 为5 5 的常规巾值滤波器时序仿真结果1 2 窗l j 为5 5 的快速巾值滤波器时序仿真结果】= 常规算法和快速算法实现后所占用f p g a 资源比较、3 5 5 、f 高斯掩模算子1 5 绝对芹值掩模1 6 边缘检测及定忙流程图18 图像边缘检测模块结构1 9 伪真结果及比较 11 奇偶场信号。i 同步脉冲与消隐脉冲，2 2 行、场同步脉冲经过微分电路后的波形2 3 同步脉冲经微分积分后的波形2 4 黑广 企电视信号2 4 j j ：场| 付序2 1 场内时序二。 行内h t 序：o 接收红外探测器程序流程2 7 接收数据，2 8 奇数场内具体时序2 8 每一行数据接收2 9 行内时序2 9 视频输山结构图o 对行计数器和象素计数器的具体操作3 0 每一场内输出时序3 0 j 。同步，3 l 场消隐期3 】 f 1 1 均撕脉冲，3 。 场同步脉冲，? ： 后均衡脉冲，j 2 场消隐期m 的行同步脉冲3 2 行同步高电、1 ，的宽度3 2 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图5 一lm c b s p 框图 3 5 图5 2收发时钟与l j j ! ；l 同步3 7 图5 - 3 数据延迟，一3 q 图5 4接收数抽 具体时序j 图5 5 发送操作具体刈序3 9 图5 6f p g a 收发d s p 的数据流程4 0 图5 7 发送数据的仿真结果4 0 豳5 8f p g a 接收d s p 数据时序仿真结果4 1 图5 9h d l c 收发模块结构4 2 图5 1 0h d l c 插l 柙序流稃4 3 图5 1 1h d l c 七“o ”操作程序流程， 4 【鸳5 一l2( r c 校验码产生器 ，4 4 图5 1 3h d l c 发送时序4 5 图5 1 4h d l c 接收时序，4 5 图5 151 2 c 总线数据时序，4 图5 1 6 起始何和a c k 位4 一 图5 17 糕个传输流柙j 阁5 1 8 让祷训始化流程4 8 图5 1 91 2 c 状态流栉5 0 图5 2 0 周期精确写法实现1 2 c 总线的程序流程一5 1 图5 2 l1 2 c 序静态时序仿真结果5 2 翻5 2 2 起始状态5 ： 图5 2 3 传输一个节5 1 图5 2 4传输1b i t 数据时序，) 2 图5 2 5 束状态5 2 第i v 页 垦堕型兰垫查盔堂墅壅生堕王兰堡主兰垡盗苎， 表目录 表3 11 i 同窗大小所需要的比较次数1 0 表3 2 常规算法和快述算法实现后所占用f p g a 资源比较1 ： 表5 1m c b s p 接l j 信号3 。 表5 ，2m c b s p 的c p u 的巾断和d m a 同步事件 3 6 表5 3f s ( r x ) m 设晟 3 7 表5 4c l k ( r x ) m 设置3 8 表5 5f s r ，f s x ，c l k r ，；6 乏c l k x 设置3 8 表5 6h d l c 帧格式表4 1 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 学位论文题目：氇：2 i ! 蜀嗑! 兰2 ：丛丝垂鱼主童丛丝垦因丝丝! 蚕趔。 学位论文作者签名：塞ed ! 刍日期：扫湃f ，月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人 授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：口r 年f ，月，夕日 日期：卅年，月曰 里墼型主垫垄丕堂型塞生堕王兰堡主堂焦迨塞 第一章绪论 1 1 课题背景 海湾战争为新军事革命拉丌了序幕。战争的形态已开始步入从传统的机械化战争向高 技术信息化战争转变与过渡的新阶段。精确制导武器已成为高技术信息化战争中物理杀伤 的主要手段，并在战争中发挥关键作用。在1 9 9 1 年1 月的海湾战争中，以美国为首的多 国部队用9 的精确制导武器击毁了8 0 的目标，显示了精确制导武器是威力倍增的武器； 在1 9 9 8 年1 2 月的“沙漠之狐”战争中使用的精确制导武器已上升到7 0 ，7 天就结束了 战争；1 9 9 9 年3 月在以美国为首的北约对南联盟科索沃的战争中主要使用的是精确制导 武器，其用量已占到全部使用武器的9 8 。精确制导武器在高技术局部战争中的作用更 加突出【2 8 】。 精确制导武器的关键技术是精确制导技术。它支持精确制导武器的远距离高精度作 战、夜间作战、全天候作战、复杂战场环境下作战。精确制导是2 0 世纪7 0 年代初提出来 的制导技术新概念。精确制导技术是确保精确制导武器精确命中目标乃至目标易损部位， 又尽呵能减少附带破坏的制导技术。它与一般制导技术的区别在于精确制导不仅能制导导 弹直接命中目标，而且具有命中点( 易损部位) 选择的能力和更强的抗干扰能力。精确制 导技术涉及多个专业技术领域，是一项综合多种现代高新技术的应用技术。 精确制导技术研究的主要内容包括精确导引技术和精确控制技术。研究的重点是确保 精确制导武器在复杂战场环境中精确命中目标乃至目标易损部位的寻的末制导技术。主要 有： u 视制导技术、红外制导技术、激光制导技术、毫米波制导技术、高性能微波制导技 术、多模或复合制导技术、智能化信息处理技术。精确制导技术的研究和发展一直是紧紧 围绕着抗干扰、高精度和智能化的要求进行。为此，利用了电磁波的不同频段，研究了不 同制导方式和它们的组合，研究了智能化信息处理技术。其中红外成像制导、毫米波制导、 多模或复合制导以及智能化信息处理技术是当今精确制导技术研究的重点。 现代精确制导技术以红外成像制导、毫米波制导、多模或复合制导、智能化信息处理 技术为 要发展方向。其中红外制导是精确制导技术领域的重要组成部分，也是国防高技 术中的关键技术之一。 自八十年代以来，红成像制导技术已成为一个十分活跃的研究领域。它具有全天候工 作、制导精度高、隐蔽性好和抗干扰能力强等优点。随着红外探测器的发展，特别是红外 焦平面的工程应用和计算机信息处理及超大规模集成电路技术的飞速发展，已使红外制导 技术从点源发展到成像制导，从第一代发展到第二代成像制导。红外成像制导与红外非成 像制导棚比，在于酊者有较强的抗干扰能力，有识别目标乃至识别目标易损部位的能力。 第1 页 里堕型堂垫尘丕堂婴塞尘墼王堂堡主堂丝笙苎 本文中用到的红外热成像技术属于红外成像技术的一种，红外热成像技术在军事、商 业和民事方面都有很广泛的应用，尤其在军事方面，由于它可以突破黑夜的障碍，实施夜 间行动和作战，大幅度提高武器系统的作战能力【2 9 】【3 0 。 红外热成像系统分为制冷型和非制冷型。需制冷的为光子探测器，无需制冷的为热探 测器【2 9 】，如图l 一1 所示。 ，外光电探测器 ，光子探测器 光电导探测器 光伏探测器 红外探测器气厂温差电偶、温差电堆 j 测辐射热计 、热探测器弋 1 热释电探测器 l 气体型探测器( 高莱管) 图1 1 红外探测器分类 制冷型焦平面阵列价格昂贵，主要是由于必须有一套完整的制冷设备。常用的制冷器 结构复杂，容易发生故障，占据的空间很大，功耗约为非制冷型传感器的1 0 倍。同时， 利用长波h g c d t e 材料仍不能做出高质量、高产出的h g c d t c 探测器。严重限制了长波 h g c d t e 的使用范围。 非制冷焦平面阵列自七十年代后期开始研制以来，取得了长足的进步。因为其具有无 需制冷、结构简单、价格低廉等特点，因此非制冷红外探测器在各个领域都得到了日益广 泛的应用。 总之，红外成像制导技术已经成为现代武器研究中的重要部分，被广泛应用于制导武 器系统。对于红外成像信息处理系统的研究也在不断的深入。本文在此需求基础上，研究 了一种非制冷红外信息处理机的结构，并设计了此信息处理机的预处理模块及外围通信模 块。 1 2 本文主要工作 本文所做的设计都基于此信息处理机的外围通信与前端图像处理的需求。此非制冷红 外信息处理机通过红外探测器采集图像，然后图像数据由系统与探测器之间的通信接口输 入到系统f j 端预处理模块。因为红外图像有图像边缘模糊、噪声较大等特点，对于面目标 的检测，我们采用中值滤波的方法对输入的图像数据进行平滑处理，这样既能平滑噪声 又能有效的保护面目标的边缘信息。继而对中值滤波之后的图像进行边缘检测，得出图像 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 的边缘数据。预处理之后的数据一方面送到d s p 中，做后续的图像识别等处理，另一方 面输送至监视器，对系统的状态进行实时监控，因此，需要设计与d s p 之间的通信模块 和视频输f _ 模块。d s p 处理后的数据，通过f p g a 送到弹上机，因此需要设计f p g a 与 弹i 二机之问的通信模块。基于以上的分析，本论文的基本结构如下： 第一章为绪论。 第二章为信息处理机系统结构与设计概述。介绍了本文设计的信息处理机的工作流程 以及系统各个模块的结构、功能，并介绍了所用到的设计工具和设计方法。 第三章研究了图像预处理及其实现技术。由于红外图像中存在脉冲噪声和椒盐噪声， 我们选用中值滤波器来做图像的平滑处理。首先研究了一种改进的二维中值滤波算法的结 构，在f p g a 卜实现了此算法，对结果进行了详细分析与比较：接着，对于地面目标的 边缘提取，研究了一种适于硬件实现的边缘检测算法的结构，并详细说明了检测流程，最 后详细叙述了此算法的设计实现过程，给出了仿真结果。 第四章进行了视频输入输出接口的设计。首先介绍了数字视频的原理，然后详细介绍 了红外探测器与f p g a 之间的数据接口的设计；最后介绍了视频输出模块的设计。 第 章为外部通讯接口的设计。首先介绍了d s p 中常用的数据协议m c b s p ，接着详 细说明了d s p 与f p g a 之间的通信模块的设计；然后，介绍了h d l c 通讯协议，以及用 f p g a 实现与弹上机的通信的过程：本章的第三节详细介绍1 2 c 总线对外围接口配置的实 现。 壤后是结束语。 在以上的几章中，分别对系统外围模块的设计的原理、步骤、程序流程、编程方法进 行了详细的叙述，弗对仿真的结果进行了详细的说明，对设计的可行性做出了详细的论证。 本文所有的程序均用v c r i l o g 在a c t i v e h d l6 3 上编写，用s y n p l i c 时公司的s ) ，1 1 p l i 母 d r o7 6 版综合，在x i l i n xi s e 6 1 中实现，用a c t i v e h d l6 - 3 做功能仿真、综合后仿真与 时序仿真，最后用x i l i n xi s e6 1 将程序烧入f p g a 进行调试。 第3 页 璺堕型兰垫盔盔兰型茎生堕三堂堡圭堂垡丝苎 第二章信息处理机系统结构及设计方法概述 在本文设计的红外图像信息处理系统中，外部红外探测器将采集到的视频模拟信号转 化为数字信号，处理机与探测器之间的通信模块按照红外探测器数据的输入时序将有效图 像数掘接收，存入数据缓存中，以便进行中值滤波、边缘提取等图像预处理；预处理之后 的图像数据一方面按照数字视频的格式送到监视器，以实现对系统的实时监控：另一方面 将预处理之后的数据送到d s p ，交给d s p 做目标检测识别的工作；d s p 处理完数据之后， 通过m c b s p 数据接口将数据传送到f p g a ，f p g a 将数据接收后，按照h d l c 协议的格 式，将数据发送到弹上机。基于这些系统功能设计了系统的结构如图2 1 所示。下面详细 介绍每个模块的功能。 2 1 系统结构介绍 本文设计的信息处理机的结构框图如图2 1 所示，由图可看出，系统主要由以下5 个 部分组l 成： 视频数据采集及输入模块 在本系统中，视频采集与视频数据数字化的工作全部由红外探测器完成。红外探测器 捕捉外部场景，然后自动将模拟视频做a d 转换，变成数字信号，最后，根据一定的数据 格式将数掘送出。f p g a 根据探测器的输出格式将视频数据接收。 图像预处理模块； 由于f p g a 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通 a s i c 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点所以f p g a 逐步成为复杂数字硬件电路设 计的理想酋选。故本系统中采用f p g a 来实现图像预处理模块。 存此模块中，进行了图像的平滑滤波与地面目标的边缘提取操作。 f = i 标处理模块； 图像经过预处理后，交给d s p 做数据统计，目标识别等工作。由于本文论述的是d s p 的外部接i1 ，此部分不是本文论述的重点。 d s p 外部通讯接口模块； 此模块包含三个部分： h d l c 收发模块：由于f p g a 与弹上机之间采用的通讯方式是基于h d l c 协议的， 因此，此模块的功能就是实现系统与弹上机之间的通信功能； m c b s p 模块： = _ 于d s p 与f p g a 之间采用m c b s p 协议通讯，此模块的完成了系统 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 内部f p g a 与d s p 之间的通信功能。 1 2 c 总线：系统的很多外接设备需要采用1 2 c 总线来配置，此模块的实现了系统对外 围设备的初始化配置。 视频输出模块 图像经过f p g a 做预处理后，分为两路，一路信号送至d s p ，做后续的处理，另一 路信号j 薹到临视器，以完成对系统的实时监控。 矗筇赫晶f 【，一 监视器il 弹上机l t， 图2 1 信息处理机结构框图 2 。2f p g a 的设计流程概述 本文所有的程序都是基于f p g a 的，最后都要烧入f p g a ，在设计中，都是基于f p g a 的设计流程来设计。下面简要介绍一个f p g a 的设计流型9 l 2 2 】【2 3 】。 一个完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、 实现、竹i 线后仿真和下板调试等主要步骤。具体的流程如图2 2 所示。 鼬i j u 路设计与输入是将所设计的功能描述给e d a 软件。在本文中，使用的是h d l 的输入力浊。馊件捕述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a i l g l l a g c ) 是一种用形式化方法 束描述数字电路和系统的语言。本文所有的程序都是用v e r i l o g h d l 编写的，v e r i l o g h d l 是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统设计。是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路是否符合设计 要求。本文用的仿真工具为a l d e c 公司的a c t i v e h d l 6 3 版。 综合优化( s y n t l l e s i z e ) 是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门， 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 r a m ，寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化所7 k 成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等文件，供f p g a 厂家的布局布线器进行实现。 本文所用的综合 只为s ”叫c j 妙公司的s ) ，p l i 黟p r 07 6 版。 综合肝需监检查综合结果是否与设计意图一致，需要做综合后仿真。 综合结果的本质是一些由与、或、非门，触发器，r a m 等基本逻辑单元组成的逻辑 网表，它与芯片实际的配置情况还有较大差距。此时应该使用f p g a 厂商提供的工具软 件，根据所选的芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体f p g a 器件上，这个过 程就叫做实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 过程。本设计都在x i l i l l ) 【中来实现。x i l i n x 的实现过程 分为：翻泽( n a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p l a c e r o u t e ) 这三个步骤。 布局布线之后应该做时序仿真。时序仿真中应将布局布线的时延文件反标到设计中， 使仿真即包含门延时，又包含延时信息。与前面各种仿真相比，这种后仿真包含的延时信 息最为全面、准确，能较好的反映芯片的实际工作情况。 设计开发的最后步骤就是在线调试或是将生成的配雹文件写入芯片中进行测试。在 i s e 中对应的工具是i m p a c t 。每个仿真步骤如果出现问题，就需要根据错误的定位返回 相应的步骤更改或者重新设计。 本文中的设计都遵循这个流程，这点在下面几章对设计的流程描述中都有具体的体 现。 2 3 本章小结 本章洋细介绍了信息处理机的系统结构和工作流程，并对系统模块的功能分别进行了 说明，最后介绍了设计方法与流程。 第6 页 国防科学技术大学研究生院下学硕士学位论文 第7 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 第三章图像预处理 本系统将探测器输入的图像做平滑滤波和边缘检测两个预处理操作。由于红外图像存 在着椒黼噪声，脉冲噪声等噪声，对于地面目标，可以采用中值滤波算法来对其进行平滑。 预处理的第二i 阶段是对面目标的边缘进行提取。本章讨论了一种改进的二维中值滤波器， 和一种适1 二硬件实现的边缘检测算法，并详细说明了这两个模块的设计过程。 图像预处理器采用f p g a 作为核心处理芯片，利用f p g a 容量大、集成度高、使用 灵活等特点，构建专用的实时图像预处理器，可以将整个处理过程直接在图像输入的同时 完成。因为图像串行输入的频率有限，所以在上一像素数据有效和下一像素到来之前存在 一定的时问问隔，充分利用这个时间间隔，就可以做到在图像像素一次流过图像预处理器 时完成所有的预处理工作。在整体时间中，图像预处理的时间与图像输入时间重合，因此 采用这种处理方式可以节约整个信息处理任务的运算时间。且图像预处理器采用f p g a 实现，硬件控制逻辑和预处理算法均集成于一片f p g a 中，有效地减少了信息处理机的 体积和功耗。 f 面分别详细说明这两个模块的设计。 3 1 改进的二维中值滤波器 p 值滤波作为一种非线性滤波技术，能够有效地抑制脉冲噪声( i m p u l s i v cn o i s e ) 、椒 盐噪卢( s a l t p e p p e rn o i s e ) 以及解决相关的干扰问题，而且能够有效的保护边界信息 【3 4 】【3 5 l 【3 6 】。因此在本系统中采用中值滤波来进行图像的预处理。 本系统中采用一种改进的二维中值滤波算法，能够有效的减少硬件资源的占用，控制 系统成本。 3 1 1 中值滤波原理及常规中值滤波算法简介 对r 给定的”个数值( t ，a ：，) ，将它们按照大小有序排列。当栉为奇数时，位于 中间位置f 门那个数值称为这n 个数值的中值；当n 为偶数时位于中间位景的那两个数值 的、r 均值称为这n 个数值的中值18 1 。记为 m 耐k 1 ，口2 ，口。 ( 3 i ) 常规二维巾值滤波一般采用一个埘n 的滑动窗口，从左至右，从上到下逐行移动， 其中m 为滑动窗口行数，一为滑动窗口列数。对滑动窗口内像素点灰度值进行排序，选择 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 排序像素集的中问值作为指定像素点的灰度值。 中值滤波器的主要运算就是对窗口内的数据进行排序。排序的基本单元是两个数的比 较大小后排序。如图3 1 ： 囵咛 “、夺一 、1 afbj 图3 1 排序 假设滤波窗口为m n ，则需要设置一个大小为x h 的寄存器，将滤波窗内数据存入 寄存器，然后经过排序运算。求出寄存器中数据的中值。对于求中值的运算，并不需要将 整个数组进行完全排序，而是当冒泡算法排序到数组的一半时，即排序进行到求出第 掣个最大值时就可以停止，此时已求出了数组的中值。对于m 托的数组来说，第一 z 次排哥j 要进行m n 1 次比较，第二次排序需要进行m n 一2 次比较，如此一直到第 竺鼍生次排序，需要进行m n 一兰鼍生次比较。这样，总共需要的比较次数为： z 州玎一l + m n 2 + + m 九1 2 竺生! = 三f n 2 ，1 2 一1 1 ( 3 2 ) 28 、 7 这样，m n 的数组要进行昙f h 2 x 聊2 一1 ) 次二数比较运算才能求出中值。对于3 3 窗 石、 口，这个比较运算次数为3 0 ，对于7 7 窗口，这个数值增加到9 0 0 ，可见，随着窗口尺 寸的增加，运算次数急剧增大，使得处理速度变慢：而且随着需要的寄存器尺寸增加，对 资源的占用率急刷增大，使得没有多余的资源留给后续的处理程序；甚至要用更为昂贵的 器件才能完成处理。而在文献【4 】中所提出的一种改进的二维中值滤波算法很好的解决了 这两个问题。 3 1 2 改进的二维中值滤波器 1 ) 3 3 中值滤波器 荫先来看一个滤波窗大小为3 3 的中值滤波器的改进算法【4 】 8 1 。 首先将每一列按照升序排序，然后取第一排的最大值，第二排的中值，第三排的最小 值，最后，取这三个值的中值，这样就得到了这个3 3 窗口内的象素的中值。 下面是此算法的伪代码： f o rc=ot o2 8 0 r 七c o l u m nc8 0 七h a 七a r 1 c 】 = a r ，c l e 七m a x 0 = m a xc a o ，0 】，a 【0 ，1 ，a f 0 ，2 ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 e tm e d l = m e df a 王，0 】，a 1 ，1 ，a 1 ，2 ) l e 七m i n 2 = m i n ( a 2 ，0 ，a 【2 ，1 ，a 2 ，2 ) l e 七m e d 3 = m e d ( m a x 0 ，m e d l ，m i n 2 ) 图3 。2 详细的说明了这个过程。 o t 5 m e d i l 4 芒m c d3 s m j n 2 = 7 图3 2 滤波窗大小为3 3 的快速中值滤波算法 可以容易的算出，这种算法只需要进行1 8 次比较大小的运算。而常规的排序算法需 要3 0 次比较大小运算。 2 ) x 中值滤波器快速算法 将3 3 的中值滤波器快速算法推广至的中值滤波器。其算法如图3 3 所示： i 。：堞 l 犄秽 i 犄排l m = ( n 一1 ) 2 j 予 | 厅 图3 3n n 窗口的快速中值滤波算法流程图 图3 4 以一个滤波窗大小为5 5 的中值滤波器详细说明了算法的步骤 縻嚆皆圈握壤 图3 4 滤波窗大小为5 5 的快速中值滤波器算法 下表详细比较了这种快速算法与常规算法所需要的比较次数： 表3 1 不同窗大小所需要的比较次数 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 常埘斡珐3 0 2 3 4 9 0 02 4 6 0 伙速卿沾 l81 2 52 9 86 1 8 根据| 二表中的数据，作图3 5 如下 2 5 0 0 2 0 0 0 1 m 数 次 较 毖伽。 所 5 0 0 常规中值黼茸法 5b7 滤溲禽大小 图3 5不同窗大小所需要的比较次数 从图3 5 中可以明显的看出，随着滤波窗口的增大，常规算法所需要的比较次数急剧 增加；而快速算法所需要的比较次数增加幅度就平缓得多。在窗口大小为9 x 9 时，快速 算法所需要的比较次数仅为常规算法的四分之一。 3 ) 改进的中值滤波器的系统实现及结果分析 土l 于要实现实时的预处理，如果采用外部r a m 的话，对r a m 的读写的操作会增加 处理时恻。本系统中，一帧图像的大小为3 2 0 2 4 0 ，中值滤波器的滤波窗大小为5 5 ， 为了实现实时处理，直接在f p g a 内部开辟一个寄存器，大小为( 4 3 2 0 + 5 ) = 1 2 8 5 b y t e 斗甘当于一个数据缓存。如图3 6 所示，f p g a 接收图像数据，存入此缓冲区，当接收j 凶 1 2 8 5 b y t e 字节数据时，丌始进行中值滤波操作。 1 2 8 5 b v t e 八读取缓存中的数据 数据缓存 1 进行中值滤波 图3 6 中值滤波结构框图 第1 1 页 里堕型堂垫尘盔兰坠塞生堕王堂堡圭堂垡笙塞 基于这个结构，设计软件流程如图3 7 所示。 厂一i 赢i 一 】m o 叫em e d i 锄肌盯h m _ 删l ，d k j 。粤) i 箬瓣i 絮耥? 筌装l 姑聚输c l k 山时钟j r 嚣d 为全 埘缸竹竹o j蕈匿 厂_ 葡障扫卞霍銎圈 图3 7 _ 维中值滤波v e j o g 编稠的软件结构 经过综合，仿真，所得结果如图3 8 和图3 9 所示 钿t7v a l m8 i i l 山l 汀 i 瑚l1 0 0i 锕i 辫l 舢il 瑚i “i l 啪ll 跏i 撕i ! 瑚l2 i 蚰i t 、 - j ，l 幽”t 。m 2 5 5 7 8 5 7 搿一 争c 1 i1c l o c k nn 几几n 门nn 广 几几几几nnn 几几n 几几r n 几r uuuu 誊争d i n0 0 0 7f o r m n a 。脚 固七8 0 u t0 0 0 4 | l 酗 帅o j 争r e s e t1f o r 噩u i a f 图3 - 8 窗口为5 5 的常规中值滤波器日寸序仿真结果 e s i i 础札盯i 一2 9 01 螂! 哆j 卿。幽尘塑蠛! 。，照! 煦j ，越。唧螋。l 。? c l k1c l o c k i 几r 几门几几r n 几几门几几几门几几门几几n 几门几几r luuu 阻 d l n0 0 0 1f 删l a0 口( c e 0 丑 e 0 口( x ) ) 。口( x x ) 。( 0 稍 田巾0 0 0 7 黼) 抽0 7 1 f o r 砒n al j r e s e t 第1 z 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 实现后的报告中对各个方面的结果都有详细的记录，此快速算法的优点主要表现在 报告。 j 的资源占用率上。表3 2 为报告中常规算法和快速算法实现后所占用f p g a 资源。 表3 2 常规算法和快速算法实现后所占用f p g a 资源比较 s l j c ef l i pf l o p s 4i n n u t l u t sb o n d e d1 0 b so c “口i e ds l i c e s 个数 比例个数比例个数比例个数比例 常舭3 32 1 61 1 1 5 05 3 47 5 7 95 快速3 x 391 1 21 1 94 71 常胤5 x 54 2 41 1 6 0 4 27 4 3 47 8 0 7 87 5 快速5 x 54 2 41 3 3 5 71 5 3 47 1 6 9 01 5 为了更清晰的比较资源的占用，根据上表作图3 1 0 摄5 。 m4 0 0 争 匕3 0 0 三2 。0 l 81 0 0 j 三o s i l c ef i pf i 口p s 个数使用比较 ：口s i i c e 玎巾自叩s ，坌墼 一旦髓 l 一一旦 常3 3快速3 3常规5 5快速5 5 图3 1 0 常规算法和快速算法实现后所占用f p g a 资源比较 从图3 1 0 可以很清晰地看出，随着滤波窗的增大，按常规算法来实现的滤波器，所 需的资源急剧增加，仅仅对于5 5 的窗口就几乎占用了r t e x 22 v 2 0 0 0 f g 6 7 6 的大部分4 i n d u tl u t s ( 4 输入查找表) 和s l i c e s ( 切片) ；而这种二维算法不仅仅在比较次数上有很 大的优势，在资源占用上也有很大的优势。可以看出，从3 3 窗口到5 5 窗口，需要比 较的数据增大了几乎三倍，但是所需要的4i n p u tl u t s 却爿增加了2 倍多一点，s l i c e s 也 只占用了1 5 。事实上，用此快速算法进行编程，不需要用n e x 22 v 2 0 0 0 f g 6 7 6 这种高 成本的：醛l 只需要用s p a r t a ni ie 这种成本相对较低的芯片就能胜任。 第1 3 页 一瑁一万圭一 曩冒竺 一 匾竺 一 糕暑一苫5 一 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 。2 绝对差分算法及其实现 边缘在边界检测、图像分割、模式识别、机器视觉等中有很重要的作用，是图像处理 中的重要内容。边缘是图像的最基本特征。所谓边缘，是指周围像素灰度有阶跃变化或屋 顶变化的那些像素的集合。边缘反映的是图像灰度的不连续性