分类 号
编号
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学
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南 昌大 学 信 息工 程 学 院
申请 学 位 类 别
:
论 文 提 交 日期
:
学 位 授 予 单 位 和 日期
专 业 名 称
士
硕
:
论 文 答 辩 日期
:
南
2006
昌
年
6
大
:
200
6
2006
学
答 辩委 员 会 主 席
:
评 阅人
:
月
年
年
6
6
月
月
云 于存
独创 性 声 明
本 人 声 明 所 呈 交 的 学位 论 文 是 本 人 在 导 师指 导 下 进 行 的研 究 工 作 及 取 得 的 研
究成 果
。
据我 所 知
‚
除 了 文 中特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方外
人 己 经 发表或 撰 写过 的研 究成 果
学 位 或证 书 而 使 用 过 的材 料
。
‚
也不 包含 为 获得
:
论 文 中不 包 含其 他
直量左乞 或 其他 教育 机构 的
与我 一 同工 作 的 同志 对 本 研 究所 做 的 任 何 贡 献均 已
在 论文 中作 了 明确 的 说 明 并 表 示 谢 意
学位 论文 作 者 签 名
~
‚
。
扮郭妈
签 字 日期
扣。
:
粼
月‚
‚
学位 论 文 版权 使 用 授权 书
本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解j 复昌达堂一 有 关 保 留
、
使 用 学位 论 文 的 规 定
保 留并 向 国家有关 部 门或 机 构送 交 论 文 的 复 印 件 和 磁盘
本人授权
索
‚
一
‚
允许 论 文 被 查 阅和 借 阅
、
缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保存
、
汇 编 学 位论 文
。
( 保 密 的学 位 论 文在 解 密 后 适 用 本授 权 书 )
导师 签 一
一
学 位论 文作 者 签 名
:
有权
。
直邑星赴 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
可 以采 用 影 印
签 字 日期
‚
西 ‘年
。
:
漪里弘
‘月 陈日
学位 论文 作 者 毕业 后 去 向
工 作单位
:
通讯地址
:
签 字 日期
:
声沙
:
话
邮
电编
洲
年
咧断
基于 F
P
G A
的 图像 处理 算 法 的研 究与硬 件 设 计
要
摘
‚
、
随着微 电子 技 术 的 高速 发 展 实 时 图像 处理 在 多媒 体 图像 通 信 等领 域有着
越来越 广 泛 的应 用
。
FPG A
就 是 硬 件 处 理 实 时 图像 数 据 的理 想选择
的图像 处 理 专 用 芯 片 的研 究将 成 为信 息 产 业 的新热 点
本文 以 F P G
J顷序滤波
、
A
为平 台
数学形 态学
、
‚
V H D L
使用
‚
基于
FPG A
。
硬 件 描述语 言 设计 并 实现 了 中值 滤 波
卷积 运 算和 高斯 滤 波等 图像 处 理 算法
‚
。
、
在设计过程 中
‚
‚
通过 改进 算法和 优化结构 在 合理 地 利 用 硬 件 资源 的条件 下 有 效地挖 掘 出算 法
内在 的并行 性
‚
‚
。
采 用 流 水线 结构优 化 算 法 提 高 了顶 层 滤 波模 块 的处理 速 度 在
‚
‚
中值 滤 波 器 的硬件 设计 中 本 文 提 出 了 一 种 快速 中值 滤 波 算法 该 算 法 大 大节省
了硬件 资源
‚
‚
。
处理 速 度 也 很 快 在 数 学 形 态 学 算 法 的硬 件实现 中 本 文 提 出的最
‚
大 值 滤波 和 最 小值 滤 波算 法 大 大减 少 了 硬 件 资 源 的 占用 率 适应 了 流水线 设计 的
要求
‚
提 高 了 图像 处 理 速 度
。
整 个设 计及 各个模块 都 在 A
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公 司 的 开 发 环 境 Q 班吐 u s l 以及 第 三 方 仿 真
‚
。
上进行 了 逻 辑 综 合 以 及 仿 真 综合 和 仿 真 的 结 果 表 明 使 用
FPG A
‚
‚
硬件 处 理 图像 数 据 不 仅 能 够获 得很 好 的处 理 效果 达 到 较 高 的工 作频 率 处 理 速
度 也远远 高 于 软 件 法 处理 图像
本 课 题 为 图像 处理 专 用
成以 FPG
关 键词
运算
;
:
A
‚
可 满足 实 时图 像 处理 的 要 求
FPG A
。
‚
芯 片 的 设 计 做 了 有 益 的探 索性 尝试 对 今 后 完
图 像 处 理 芯 片 为 核 心 的 实 时 图像 处理 系 统 的设 计 有着 积 极 的 意义
FPG A
;
v H D L
;
。
图 像 处 理 ; 中值 滤 波 ; 顺 序 滤波 ; 数 学 形 态学 ; 卷 积
高斯 滤 波
一
2
G A
基 于 FP
的 图像 处 理 算 法 的研究与 硬 件 设计
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基 于 即 G A 的图像 处理 算法 的研 究与硬 件 设 计
目
摘要
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A b s tl 习c t
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1 2
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1 3
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绪论
课题背景
图像 处 理 技术 综述
基于
FPG A
FPG A
FPG A
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设 计 综述
.
技术
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.
器件
中值 滤 波
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.
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3 3 2
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矛
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八
」
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第 四章
基于
.
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FPG A
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…… ……
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…… ……
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……
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……I
…… n
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……
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……
……
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灰度 形 态 学
高斯滤波
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算法 分 析
卷 积 运算
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.
二值形态 学
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.
数 学形 态 学
3 5 2
.
.
算 法 原理
顺序 滤波
.
n 的 F P G A 设计流程
快 速 中值 滤 波
3 3 1
.
.
数字 图 像 处理 算 法
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.
的优 点
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.
.
FP G A
.
.
.
的基 本 原 理
.
.
.
FP G A
方形窗
.
.
的 发展
基 于 Q u ar tu
第三章
‚ .
.
FP G A
A C E X IK
.
‚
的图像 处 理 的发 展现状
本 文 的 研究 内容
2 1 3
4
.
.
2 1 2
‚ j
气
J气
j
.
.
2 1 1
:
.
.
.
内
‘
‚
‘
j
︸
‚勺
.
.
第二章
2 ]
.
.
.
…… ……
、 .
.
第一 章
1 1
……
录
…… 1
…… 1
…… 4
…… 6
…… 7
…… 7
…… 7
…… 8
……
……
9
0
1
…… 1
……
4
1
……
14
……
巧
……
16
……
6
1
……
8
1
……
18
……
9
1
……
20
…… 20
…… 2
1
……
3
2
……
24
基于 F P G
.
A
的 图 像 处理 算法 的研 究与 硬件 设 计
4 1
滤波 器 总 体硬 件 设 计方 案
. 2
4
中值 滤 波 的 硬 件 实现
.
. 2 1
4
FI F 0
. 2. 2
4
3x
3
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4 2. 3
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方 形 窗生 成 模 块
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行 列计数器 模 块
4 2
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4 3
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中值滤波算 法 模 块
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快 速 中值 滤 波 的 硬 件 实 现
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4. 4
顺 序 滤 波 的硬件 实 现
. 5
4
灰度 形 态学 算法 的 硬 件 实现
.
4 6
卷 积 运 算 的 硬 件 实现
‚
4 7
高 斯 滤波 的 硬件 实 现
.
4 8
性 能分 析
第五章
.
总结
.
5 2
展望
参考文献
致谢
.
.
.
.
.
…
.
.
.
.
.
总 结 与展 望
5 1
附录
.
……
…… ……
‚
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.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
……
.
.
.
.
.
.
.
……
……
……
……
…… 2
4
……2
5
…… 2 5
…… 2 7
…… 30
…… 咒
…… 3
6
……4
1
…… 4
5
……4
8
…… 5
3
…… 54
…… 5 9
…… 5 9
……5 9
……
61
…… 64
…… 67
基于
FP G A
的 图像 处 理 算 法 的研究与 硬 件 设 计
第一章
L l
绪论
课题背景
图像 处 理 [’]是 信 号 与信息 处 理学科 的 一 个 部 分 也 是 诸多计 算机 领域 中最 为
‚
活 跃 的 一 个领域
。
、
随着 计 算机
‚
、
算 法 系 统 结构 上
理 技术发 展 到 今 天
‚
集 成 电路 等技术 的 飞 速 发 展
‚
图像 处 理 无 论 是 在
还 是 在应 用 上 以及 普 及 程 度 上 都 取 得 了 长足 的 进 展
许 多技术 己 经 相 当成 熟
‚
在各个领 域 如 工 业 生 产
、
。
图像 处
工程
、
军
‚
、
事 医 学 以及 科 学研 究 等 中都有着广 泛 的运 用 并取 得 了 巨 大 的成 功 和 显 著 的经
济效益
。
‚
‚
人们 在 图像 处 理领 域 的研 究 很 多 取 得 了 相 当多 的成 果 研 究 出 了 很多适用
的算 法
‚
例 如 中值 滤 波
、
高通 滤波 等
。
因 为 图像 在 生 成 过程 中常常 会 受 到各 种 噪
声源 的干 扰 和 影 响 而 使 图像 的质 量 变 差
图像 进 行滤波
、
。
平滑 等预 处 理
一 般 的软 件 来实 现 会 比 较 慢
‚
像 实时 处理 系统 [2]
‚
理 也 得 到 了 非 常 迅速 的 发展
必 须对
由于 底 层 的 图像预 处理 算 法 处理 的 数 据 量大
‚
‚
用
因 为 一 旦 速度 跟 不 上
SP )
‚
和 大 规 模/超 大 规 模 集 成 电路 ( L S IV
/ L SI ) 以
P L D 压P G A )
。
的 高 速 发 展 和 广泛 应 用
为 了 提 高 图 像 处 理 的速 度
‚
FPG A
‚
FPG A
‚
实 时 图像 处
满 足 系 统 实 时要求
芯 片便 是 目标 硬 件 的理 想 选 择之 一
的应 用 也 为提 高 图 像 处 理 速度提供 了 新 的 思 路 和 解 决 方 法 l3]
研 究 内容 就 是基 于
‚
‚
以用 硬 件 来 实现 对 图像 的 处 理
.
改善 图像 质 量
。
及 大 规 模 可 编程逻 辑 器件 ( C
1 2
‚
并 且 对 于 一 些 实 时 性 要 求 比 较 高 的系 统 如视频 图
随着 数 字 信 号处 理 器 ( D
G A
为 了抑 制 噪 声
处 理速 度往往 是 要考虑 的关 键 要 素
实 时性 也 就 无 从 谈起
FP
‚
的 图像 处 理 算 法 的 实现
。
‚
‚
可
同时
本 文 的主 要
。
图像 处理 技术 综 述
对于 图像算 法 的 处 理 可 以用 软 件 或 者 硬件 来 实现
‚
。
通 常来说
‚
‚
出 于 简便 和 成
本 考虑 一 般 利 用 软 件来实现 大 部 分 操 作 除 非 需要 更 高 的 速 度 以 满 足 性 能指 标
软件 可 以优 化
‚
但 有 时是 不 够 的
一 个 不 错 的选 择
。
。
如 果 需 要 更 高 的速 度
‚
‚
。
利用 硬 件来 处 理 算 法 是
图 像 处 理 的硬 件 设 计 有 两 种技 术 方 案 一 是全 定制 的 专 用 集 成
G A 的 图 像 处 理 算 法 的 研究 与 硬 件 设计
基于 F
P
电路 ( A sI C )
‚
(F
P GA )
‚
二 是 半 定制 的数 字信 号 处 理 器 ( D S P ) 以及 现 场 可 编程 门 阵列
它 们 在设 计 中 的运 用 都 可 以大大 加 快 对 信 息 的处 理 速 度
‚
‚
。
‚
一 般 来 说 图像 处 理 速 度 的提 高 主 要 有 两 种 手段 一 是 改变 图像 处理 算 法
‚
‚
。
使算 法 更 简单 但 最 为耗 时 的 图像 低级 处 理 算 法 已 相 当成 熟 其 运 算 的复 杂性 也
‚
。
相 对 固 定 所 以 改变 算 法 同 时又 能 够 保 证 精 度 是非常 困难 的 二 是 改变实现 算法
的手段
一
、
。
]
目前 实现 图像 处理 算 法 的手段针对 不 同的应 用 需求 主 要 有 以下 几 种 [’
‚
、
通用 计 算机 ; 二
理 器 (D
S P );
(l
)
五
、
并行 处 理 ; 三
、
专用 集 成 电路 ( A SI C ) ; 四
(F P G A )
现 场 可 编程 门 阵 列
.
‚
下 面 分 别介 绍
数字 信 号 处
:
通 用计 算 机
通 用 计 算机 是 基 于 冯 诺 依 曼 结 构 的
代码
。
、
:
经 过编 译 后 转 换 成 指 令代 码
‚
‚
通过 高 级 语 言 ( C
‚
C
什 等 ) 编 写 程序
每 一 条 指 令代 码 又 包括 许 多条 微指 令
‚
每条
‚
。
微 指 令都 需 要 数个 机器 周 期 虽 然 现 在通 用 计 算机技 术 发 展 非常 快 但 通 用 计 算
机 属 于 标准 串行 机
‚
大 部 分工 作 是存储器 和
A LU
之 间 交换数 据
‚
整个 过 程 是 单
‚
指令单数 据 的 串行 处 理 过 程 在 很 多情 况 下 该 系 统 结 构 上 的 局 限 性使 它对 低 级 图
‚
‚
。
像 处 理 不 能 够满 足 实 时 高速 的 要 求 因 此 基 于 通用 计 算 机 采 用 高级语 言 编程
它 适 合 各 种 图像 处 理 算 法 的验 证
‚
适 用 于 一 些 实 时 性 要 求 不 高 的场 合
‚
。
2 ) 并行 处 理
(
在 许 多场合 下
‚
单个
C PU
不 能够 实现 实 时 数 据 处 理 的时 候
‚
采用 多 个 C P U
。
同 时工 作 的 并行 处 理 为 解 决此 问题提 供 了 可 能 各 国 学者 在 这 方 面 作 了大 量 的工
‚
‚
作 并 己 经研 究 出 多种 并 行 结构 和 编 程语 言 它 克服 了 单个 处 理 器 在 硬 件 上 串行
工 作 的 局 限性
领 域仍 不 成 熟
‚
。
提 高 了 系 统 的性 能
‚
。
虽 然 对 并 行 处 理进 行 了 大 量 的 研 究 但 这 个
处 理 单元 负载 不 均 衡
‚
并行算 法 编程 困 难
达 到 的 性 能 和 实 际 性 能相 比 有较 大 差 距
‚
理 论 上 并行 处 理 所 应
。
( 3 ) 专用 集 成 电路
专用 集 成 电路 [5] ( A sl
片
。
c )
是 针 对 于 某 一 固 定 算 法 或 应用 而 专 门 设 计 的硬 件 芯
许多 图像 处 理 算 法采 用通 用 处 理 器 和
须采 用
A S
I C
但是
周期;
‚
来 实现
A s
I C
A S
I C
‚
D SP
来实现 难 以满 足 速 度 需要
在 各种 算 法 实现 方案 中使 用
在 实 际 应 用 中也 有其缺 点
因 为属 于 专用 硬 件 芯 片
‚
:
A S
I C
A S
I C
来 实现 是 最 快 的
‚
而必
。
从设 计 到 应 用 需要 较 长 的时间
所 以需 求 数 量较少
‚
成 本 也 就 非常 高
;
由
G A
基于 F
P
于
A s
I C
是 为 专 用 目的设 计 的
的图像 处 理 算 法 的 研 究 与硬 件 设计
‚
当 设计成 型 并 且 流 片成功就 不 能 改动
计 中 当 算 法 因 故需要改变 时 就 要 设 计 者 重 新设计 芯 片和 硬 件 电路
;
‚
所 以在 设
当 A SI
C 里存
‚
‚
在 硬 件 设计 的错误 时 并 且 在投 入 生 产 前未 能 发 现 的话 唯 一 解 决 的办 法 是 把 产
‚
品 回收: 而 这 样做 的后果 往往 是 芯 片 商 付 出沉 重 的 经 济代价
往 往使其 局 限 于 非常有 限 的应用 中并 容 易 产 生 性 能瓶 颈
像 处 理 系统
(4 )
‚
缺乏 灵活性
、
A SI
C
极低灵活 度
因此 由 A SI C 构建 的 图
。
数字 信 号 处 理 器
数 字信 号 处 理 器 [61
计的
‚
。
(D s P )
‚
是 专 门为 快速 实现 各种 数 字 信 号 处 理 算 法 而 设
具 有特 殊 结构 的微 处 理 器
到 2 0 0 0 M IP
‚
S
‚
C
通 常使 用
一
比 最 快 的 C P U 还 快 10 5
0 倍
。
语 言 进行 编程
‚
其处理速度可达
数 字 信 号 处 理器 的 内部 采 用 专 用 硬
‚
。
件 实 现 一 些 数字信 号 处 理 常 用 的运 算 所 以它 进 行 这 些 运 算速 度 非 常快 如 乘 加
( M A C ) 运 算 只 需要 一 个 时 钟 周 期
但 是 从根 本 上 来 说
‚
。
‚
D SP
只 是 对某 些 固 定 的 运 算 提 供 硬 件 优化 其 体系 仍 是
‚
‚
串行 指 令 执行 系 统 并 且 这 些 固定 优 化运算 并 不 能够 满 足 众 多算 法 的需 要 这 使
。
:
得 它 的 使 用受到 限 制 vi si c o m 公 司 的一 份 技术报 告 lv] 指 出 在 中值 滤 波 实现 中
D SP
处 理器 需要 6
7 个 周 期 完成 该 算法
因为 F P G A
.
1 SG H
Z:
可 并 行 实现 该 功 能
频率
。
‚
而
在 这 一 特 定 的应用 中
理 器 要 强 大 约 17 倍
‚
‚
采用
D SP
FPG A
FPG A
器 件 只 需 要 运 行在 25 M
Llz
‚
‚
要 达 到 同 样 的 性 能 则 需 要 运 行 在超 过
解 决 方 案 比一 个
10 0 M H
z
的D
SP
处
。
.
(5
)
现 场 可 编程 门 阵列
现场可 编 程 门 阵列 ls]
也 被 称 为 可 编 程 A S IC
。
(F
P GA )
FPG A
器件 是 当今运 用 极 为广 泛 的 可 编 程逻 辑器 件
器 件 在 结构 上 具 有逻 辑功 能块排 列
部连 线 连 接 这 些 功 能 模块来 实 现 一 定 的 逻 辑功 能
的配 置 数 据 决定
FPG A
的E
器件
PR O M
功能
‚
‚
。
工 作时
‚
。
FPG A
或 其他存 储 体上
即 所谓现场编程
。
‚
‚
可 编程 的 内
器 件 的功 能 由逻 辑 结 构
。
这 些配 置 数据 存放 在 片 内 的 S R A M
在 工 作前 需 要 从 芯 片 外 部 加 载 配 置 数 据
‚
‚
使用
SR A
M
的
配 置 数据 可 以存 储在 片 外
‚
设 计 者 可 以控制 加 载 过 程 在现场 修 改器 件 的逻 辑
利 用 它 用户 不 仅 可 以 方便 地 设计 出所 需 的硬 件 逻 辑
‚
而
‚
且 可 以进 行 静 态 重 复编 程和 动态在 系 统 重 配 置 使 系统 的硬 件 功 能 可 以像 软 件 一
‚
‚
样编 程 来修 改 从 而 可 以实 时 地 进行 灵 活 而 方 便 的更 新 和 开 发 大 大 提 高 了 系 统
基于 F
P G
设计 的灵 活 性 和 通用性
速 度 不 断提 高
‚
A
FI G
能在
D SP
‚
。
A
的图像 处 理 算 法 的研 究与 硬 件设 计
与 此 同时
‚
包 含 的资源越 来 越 丰 富
上 实现
。
因此
‚
以根据 需 要 进 行 重 构配 置
‚
对 于 实 时 图 像处 理 而 言
D SP
‚
有 较 强 的通 用 性
达 到 了 系 统 的 实 时性 要 求
基于
FP G A
‚
‚
、
‚
所示
。
如图
.
1 1
所示
‚
图字
像化
数
J
摄像头
头
。
随着 新 型
‚
而 这些 都 不
FPG A
有 很 强 的灵 活 性
;
‚
可
同 时其 开 发 周 期
能 够 大 大 地 提 高 了 图 像数 据 的
0
8
P
、
.
1 1
图存
像
帧存
。
.
、
计 算机 总 线
、
操
年代 开 始 出 现 以 图 像帧存为 中
I 总 线 的 问世
C
‚
‚
90 年 代 出现 了 以
又增 加 一 些 硬 件 处 理
‚
如图
。
理
硬件处理
以图 像帧 存 为 中心 的 图 像 处 理 结构
困
1 2
CPU
计算机
机
接口
门
卧
特别是
图像 分割 和 灰 度 变 换 等
图像显 示
图
‚
为 了 提 高速度
硬 件 处理 的功 能包 括 卷积 运 算
图
‚
。
的 图像 处理 的发展 现 状
计 算 机 内存 为 中心 的 图像 处 理 系 统
1 2
‚
工作
因 此 采 用 F P G A 器 件 是 个 不 错 的选 择
网 络 数据库 和 集 成 电路 水平 的影 响
心 的 图像 处 理 结构
.
‚
、
与本 质 上 仍 然是 依 靠 串行 执
适 于 模 块化 设计
图 像 处 理 系 统 的 结构 受 多 方 面 因 素 的影 响
作系 统
‚
系统相 比
系 统 易 于 维 护 和 扩 展 适 合 实 时的信 号 处理
‚
其 集成 度
可 实现 的功 能 也 越来 越 强
‚
处 理 速度
L 3
‚
‚
自身也 在 迅 速 发 展
能在 设计 上 在 实 现 硬 件并行 和 流 水 线 ( Pi pe l en ) 技 术 [9]
行指 令来完 成 相应 图像 处 理 算法 的
短
FPG A
‚
母卧民日
以计 算机 内存 为 中心 的 图像 处 理 系 统
G A
基 于 FP
的 图像 处理 算法 的研 究 与硬件 设计
、
低 价位 微 处 理 技术支持 的并行 处 理 技 术 低 成 本 的图像 传 感 器 以及 低成 本技
‚
术 的新 的存 储 技术 的发 展 进 一 步推动 了 图像 处 理技术 的发 展 图像 处 理无论 在算
‚
、
法 上还 是 体 系 结 构 上 都 有 了很 大 的发 展 数字 信 号 处 理 器 以及 大 规 模 超 大 规 模
。
可 编程 器 件在 图像 处 理 上 有广 泛 的应 用 随着 微 电子 技 术的 迅 猛 发 展 和芯 片制 造
‚
工 艺的提 高 F P G
理 系 统 中所 采 用
基于 F P G
议 电视
、
A
A
凭借 其 在 处 理 速 度 上 等众 多优 势 被 越 来越 多 的在 实 时图像 处
。
‚
的数 字 图像 处 理 系 统 在 汽 车 电子 产 品 中被 广 泛 运用 例 如 车 载 会
车 载 可视 电话
、
车载机器 视 觉等 1 0]
。
由于 F P G A 技术 的大 量 采 用
‚
图
‚
像 处 理 在硬 件 结 构 方 面 也 发 生 了重 大 变 化 它 已 由基 本 的 串行 结构发 展 成 并行 处
理 结构
‚
由单 片 F P G A 处 理 器 发 展 成 多 F P G A 处理 器 系统
高速 处理 系统
FP
泛 的被 运 用
中都使用
。
或 带 阵列 F P G
A
的
。
。
搞 活 了 数字 电视 I川
G A
‚
在 图像 显 示
FP G A
、
“
变 换 ) 以 及 网 络 接 口 ( 如 IE
、
图像 压 缩
器 件进 行 处 理
标 准 芯 片组 间 的 联 结逻 辑
在数 字 电视 的 信 号处 理 中
”
。
FPG A
FPG A
已 经 越 来越 广
色彩 空 间 转 化
、
FO
可 应用 于 数 字 电视 机 内的许 多 部 分
是 F P G A 的强 项
E E 13 9
4 )
、
图 像格式 转 化
‚
‚
‚
接口
作为
许 多 图 像 处理 任务 ( 如 色 彩 空 间
现在 也 可 用 低 成本 可 编程 逻 辑器件 实现
。
中 国 铁 道 部基础 设 施检 测 中心 在 轨检 车轨距 轨 向检 测 系统 改 造 中采 用 摄像
、
图 像 处 理 及 惯 性 测 量 技术 对 以往 使 用 的光 电伺 服 跟 踪 方 式 的轨 距 轨 向系 统进行
全 面 改造 升级
。
、
以 F P G A 模 块 为核心 的 高速 图像 处理 卡 实 时 采集 处 理 8 个 通 道
的 钢 轨 断面 图像 信 号
‚
‚
并 根 据 钢 轨 断面 轮 廓 图像 求 出 轨 距 的 特 征 点 分别 计 算 两
‚
个 特 征 点 相对 于 惯性 空 间 基 准 的位 移 及 两 点间 的距 离 实现在 动 态 条件 下 的 轨 距
轨 向测 量:12 ]
2 的5
。
年
6
月
‚
富 士 通 研 究所 与 富 士 通 前 沿 科技 公 司 共 同推 出 了 用 于 办 公 室
与 商 务 设施 等 用 途 的 服 务机 器人
巡视
、
别的 D
提供 信 息 等事 务
SP
‚
L S
I
随着
富士 通 服 务 机 器 人
该 项 目使 用
提 高 了处 理 速 度
FPG A
‚
‚
该
”
‚
可 以胜 任 引导
。
F P G A 开 发 图像 处 理 的 L S
I
管 理 下 运 行 的 是 新 开 发 的 3 维 图像 处 理
万 个 门 阵列 的 F P G A 开 发 而 成
像处 理
“
FPG A
LS
I
‚
、
搬运
、
在 负责 视 觉 识
使 用 美 国赛 灵 思 约 有 5 0
的工 作 频 率 为 9
0 M
H
z
。
由于 开 发 了 图
因 此 可 以在 行 走进 程 中进 行 视觉 识 别 [’“ l
技术 的 日 异 月新 和 芯 片 制 造 工 艺 的 不 断发 展
‚
使用
。
FPG A
技术
基 于 FP
G A
的 图像 处 理 算 法 的研究 与硬 件 设计
处 理 图 像 信 息 将 成 为 图像 处 理 领域 中 的一 个发 展 趋 势 [l 4 ]
度 要 求很 高 的 实 时 图像 处理 中
L 4
‚
FPG A
‚
将发 挥 巨大 的作 用
特 别在 对 图像 处 理 速
。
本 文 的研究 内容
本 课 题 来 源 于 江 西 特 康 科 技有 限 公 司 的 血 液 白细 胞 五 分 群 检 测 项 目的 下 属
研 究课 题
‚
属 于 图像 处 理 技 术 范 畴
本 文 详 细 阐 述 了F P G
法 的特 点 和 要 求
t
l
A
r
e
a
‚
A
一
公 司 的A C E X I K 系 列 的 E p 1K 10 o Q C 2 0 8 3 芯 片
r
、
‚
开 发 流 程 和 设计准则 针 对 F P G A 硬 件 实现 图像 处 理 算
深 入 分 析 和 研 究 了 图像 处 理 算 法 的 实现
结 合 第 三 方 仿 真 软件M o
d
滤波
。
数学 形 态学
、
el si m
‚
!
H D L
l硕D L
源程序
。
‚
特别 的
硬 件 描述 语 言实现 了 中值 滤 波
A
‚
采用
‚
、
‚
顺序
并详 细而 全 面 的论 述
、
、
给 出 了硬 件 算 法流程 图 模块 仿真 图 顶 层 硬
‚
本 文 提 出 了 适合在 硬 件 上 实现 的 快 速 中值滤
波 算 法 以 及 改进 的最大值滤波 和 最 小 值 滤 波 算 法
本 文 给 出F P G
在此基 础 上
在 Q 珑吐 u s 11 开 发 环 境 下
卷 积 运 算 和 高斯 滤 波 等 图像 处 理 算 法
了各 种 图像 处理 算法 的硬 件 设 计
件 图和 部 分 V
通 过V
‚
。
‚
并 取得 了理想 的 效 果
硬件 实 现 图 像 处 理 算 法 的 性 能指 标 和 总 结 分 析
。
。
最后
‚
基于 F
P
G A
的图像 处 理 算 法 的研 究与硬 件 设计
FPG A
第二章
设计 综述
数 字 图像 的算法 处理 通 常 由软件 来完 成
‚
但 随着
上 对 实 时 图像 进 行 处 理 成 为 一 个 新 的 发 展 趋 势
方 式 处理 数字 信 息
减 少硬 件投 资风 险
‚
可 满 足 实时 性 要 求
‚
且 设 计灵 活
‚
性 能和 结构
2. 1
‚
.
同时 采 用
s
技术 的发 展
器 件 性 能优越
FPG A
‚
‚
从硬 件
采用 并 行
技 术 可 缩 短 设计周期
。
因此
‚
FPG A
‚
技术被
。
技术 的基 础 上
阐述 了 基 于 Q 讼犷tu
F P G A
2. 1 1
FPG A
G A
P
F
程 序 和 模 块 可 移 植性 强
越 来越 广泛 地 运 用 在 图像 处 理 领 域
本 章在 简 要 介 绍
。
。
V LS
I
‚
分析 了 A
l tre
ll 的 F P G A 设 计 流 程
a
公 司 A C E K IK 芯 片 的
。
技术
F P G A
的发 展
可 编程 逻 辑器 件 ( P ro gr
L
b le
a
c D
i
g
o
v ice ) 是 一 种 数 字 电路
e
~
用户 来 进 行编 程 和 进 行 配 置 利 用 它 可 以解 决 不 同 的逻 辑设 计 问题
‚
。
‚
它可 以 由
可 编 程 逻辑
‚
器 件 自10 年代 初 期 主 要 用 于 解 决各种类 型 的 存 储 问题 后 来 逐 渐 转 向为 各种逻 辑
‚
应用 在结构
、
工艺
集 成 度 功 能 速度 和 灵 活 性 方 面 都有很大 的 改 进 和 提 高
一
经 历 了 以下 三 个 主 要 发展 阶 段 1 5 ]
:
早 期 的可 编 程 逻 辑 器 件 :7
0
(l
)
‚
存 储 问题 如 可 编程 只 读 存 储 器 ( P R
和 电可 擦 除 只 读存储 器 ( E E P R O M )
字逻辑 功 能
(2 )
年 代 初 期 的 P L D 主 要 用 于 解 决 各种 类 型 的
O M )
‚
、
紫外 线可 擦 除只 读存 储 器 (E P R
由于 结构 的 限 制
‚
O
M )
它们 只 能 完 成 简 单 的数
。
结 构上 较 为 简 单 的可 编 程 芯 片
:
70
年代 末 到 80
年代 初
‚
A M D
‚
公司
和 La
t ice 公 司 先 后 推 出 了可 编 程 逻 辑器 件 产 品 主 要 为 可 编 程 阵列 逻 辑 ( P
A L)
通用 阵列 逻 辑 ( G
的灵 活 性
‚
A L )
和 可 编程 逻 辑 阵 列 ( P L A )
。
、
这 一 类 P L D 在 设 计 上 有很 强
‚
可 以 实现 速 度 特 性 较 好 的逻辑 功 能 但 由于 结 构简单
规 模较 小 的 电路
(3
)
:
‚
、
、
、
‚
它 们 只 能 实现
。
功 能齐 全
、
编 程 灵 活 的可编 程 逻 辑 器件
:
0 年 代 中期
8
‚
Al
te
r a
公司 和
基于 F
P
i
X
ll
i lx
G A
的 图像 处 理 算 法 的 研究 与硬件 设计
公 司 推 出 了复杂 可 编 程逻 辑器件 ( C
它 们 都 具有 体系 结 构和 逻辑 单元 灵 活
现 较 大规 模 的 电路
今天
‚
编程系统 ( S o
.
FP
FPG A
GA
SP )
PC
‚
内核
y s
S
te
‚
‚
。
在一片
n
m O
FP G A
B )
超大规 模
、
高速
、
Pr
o 盯
上 进行 软硬 件 协 同 设 计
b le c hi
a
n
l
a
:
可 编 程逻 辑 块 ( C
其 内部 结构 如 图 2
.
LB )
1
.
所示
低 功耗 的新 型
p )
‚
为 实现 片 上 可
提供 了 强 大 的 硬件支持
。
是F P G
A
是 芯 片 和 外 界 的接 口
‚
、
A
输 入/输 出 模 块 ( r
o
M 组成 1
5][ 15]
B )
‚
和 互连资
。
FPG A
1
LB )
内部 结构 原 理 图
的主 要 组 成 部 分
可 以 根 据 设计灵 活 地 改变连接 和 设 置
块 ( IO
‚
一 般 由三种 可 编程 电 路和 一 个 用 于 存 放 编程 数 据 的 s R
可 编 程 逻 辑块 ( C
‚
‚
新 一 代 的 F P G A 甚 至 集 成 了 中央处 理 器 ( C P U ) 或
图2
元
‚
的基本 原 理
这 三 种 可 编程 电 路 是
源 (I
R )
A )
。
不 断推 陈 出新
数 字 处理器 ( D
和 现场可 编 程 门 阵列 ( F P G
集 成 度 高 以及 适 用 范 围宽等 特 点 可 以 实
随着 工 艺 技术 的发 展 和 市 场 需 要
F P G 户以C P L D
. 1 2
2
、
PLD )
‚
‚
是 实现逻辑功 能 的基 本 单
完 成 不 同的 逻辑功 能
;
输 入 /输 出模
提供 器件 引脚 和 内部 逻 辑 阵 列 之 间 的连 接
‚
完
‚
成不 同 电气 特 性 下 的输 入/输 出 功 能要 求 IO B 通 常排 列在 芯 片 的 四周 ; 可 编程 互
连 资源 ( I
R ) 包 括 各 种 长 度 的 金 属 连线 线 段 和 一 些 可 编 程 连 接 开 关
C LB
之 间 以及 C
LB
与 IO
B
之 间互 相连 接 起 来
‚
‚
它们 将各 个
构 成 各种复 杂 功 能 的系统
‚
连接长
G A
基于 F
P
的图像 处理 算 法 的 研 究与硬件设 计
度和 工 艺 决 定着 信号 在 连 线 上 的驱动 能力 和 传 输速度
FP
G A
存器 资源 丰 富
2. 1 .
3
‚
FPG A
A s
I C
。
FPG A
中寄
的优 点
设计 周 期长
路设计 的理想首选
FPG A
(1
)
b le ) 结构 的
a
。
适 合 做 同 步 时 序 电路 较 多 的 设计
F P G A 既继 承 了 A s
I C
通
U p T
的可 编程 逻 辑 块 是基 于 查 找表 ( L o k
。
、
。
的大规模
投 资大
除了 A
、
sl
c
、
高集成度
灵 活 性 差 的缺 点
的优 点 外
可 以 反 复地编程
、
‚
、
高可 靠 性 的优 点
‚
还 具 有 以下 优 点 l8]
。
:
在 外 围 电路 不 动 的情 况 下
‚
。
计 不 同 片 内逻 辑就 能 实现 不 同 的 电路功 能 所 以 用
FPG A
‚
‚
只 能用 F P G A 完 成 系 统 的 研 制 和 开 发
( 2 ) 开 发过 程投 资小
且
FPG A
设计 灵 活
‚
。
FPG A
。
潜 在 的花 费 所 以不 但 许 多 复杂 系统 使 用
现
FP G A
功 能 样 机 作 为必 需 的 步 骤
(3
)
规 模越来越 大
上 百 个 晶体管
Xi
ln
x
Vi r
te
x
一
‚
随着
v
Z
V Ls
l
完成
在 某 些场 合 下
‚
。
FPG A
开发 工 具 智 能 化
‚
‚
甚 至 设计
A s
I C
‚
单 一 芯 片 内部可 以容纳
‚
如
。
。
根 据 要 求选 用 防 止 反 向技术 的 F P G
功 能强大
。
A
‚
。
现在
FPG A
开 发 工 具 种 类 繁多
、
。
、
也要把实
单 片 逻辑 门 数 己 超过 百 万 门
能 很好 地保 护系统 的安 全性 和 设 计 者 的 知 识产 权
(5
)
‚
万 门的 规模 芯 片 的规 模越 大 所 能实现
同时也 更 适 于 实现 片上 系统
。
而
减 少 了 投 片 风 险 节 省 了 很多
工 艺 的不 断 提 高
80 0 已经达到 了 8 0
保 密性 能好
‚
。
F P G A 芯 片 的规 模 也 越 来 越大
n x
c
的 功 能就 越 强
(4
)
‚
。
FPG A
‚
A SI
C
。
芯 片在 出 厂 之 前都做 过 百 分 之 百 的测 试
发 现 错 误 时 可 直接 更 改 设 计
设
‚
最快 的速 度 占领 市 场 甚 至 在某 些 领 域 因 为 相 关 标准 协 议 发 展太快 设 计
可 能跟 不 上 技术 的更新
‚
试 制 功 能样 片 能 以
‚
。
又 克 服 了普
己 经 逐 步成 为 复 杂 数 字 硬 件 电
FPG A
擦 除 和 使用
‚
、
智 能 化 高 功 能强 大 电路 设 计 人 员在 很 短 的 时 间 内就 可 完成 电路 的输 入 综合
实现直 到最后 的配 置 芯 片
进 行 电路 设计
(6 )
‚
。
FP G A
软 件 易 学 易用
快 速 将 产 品 推 向市 场
新型 F P G
上可 编 程 系 统 (
s O
A
内嵌
PC )
C PU
或
的硬 件 平 台
可 以使 设 计 人 员更 能 集 中精 力
。
D SP
。
‚
、
核
‚
支 持软 硬 件 协 同 设 计
‚
可 以作为 片
‘
2. 2
A C E X IK
.
ra 公 司 出品 的 2 5 v
其结构 中带 嵌入 式 存储 块 ( E A
。
量均为 4 K B
的图像 处 理 算 法 的研 究与 硬 件 设 计
器件
s ]是 A lte
l
J
S
A C E X IK
[
GA
基于 F
P
表2
.
1
列 出了 A
表
.
2 1
B )
‚
器 件 的性 能
工 艺 F P G A 器件
sR A M
低价格
部分 型 号 带 P L L
C E X IK
A C E X IK
、
‚
且 每个嵌入 式存 储块 的容
。
系统产 品 的 主要 技 术 指 标
芯 片型 号
E P 1K 10
E P 1K 3 0
E P 1K 5 0
E P 1K 1 0 0
最 大系统 门数
56 0 00
1 19 0 0 0
19 9 0 0 0
2 57 000
10 0 0 0
30 000
50 000
10 0 0 0 0
576
1 72 8
2 880
4 992
3
6
l0
l2
12 2 8 8
24 576
40 960
4 9 15 2
13 6
17 1
24 9
333
典 型 逻辑 可 用 门
逻 辑单元 数
EAB 数
最 大R A M 位数
数
最 大用 户 F O 引 脚
器件 的特 点是 将 查 找 表 ( L U
A C E X IK
又 廉价 的 结 构
信 号处 理 (D
双 口R
A M
信 号 处理
基于L U
SP )
或 FI
、
。
FO
T
T )
和 E A B 相 结合
的逻辑 对 数据 路 径管 理
的设计 提 供优化 的 性 能和 效率
功能
。
这使 得 A
宽 域 数据路 径 管 理
A
于 可 重构 C M O S S R
、
C E X IK
、
‚
而E A
使 得A
器 及低 价 的交 换 机
A c E
xl
提 供 了 效率 最 高而
B
、
数 学计 算 或数 字
可 实现 R
A
M
、
适 合 于 复杂 逻辑 及 存 储器 功 能
R O
‚
、
M
如数字
数 据 变换 和 微 处 理 器等各种 高 性 能 通 信 应用
。
基
‚
M 单 元 A C E X I K 结 构 具 有 实 现 一 般 门 阵 列宏 功 能需 要 的所
‚
‚
‚
寄存 器 强 度
有 特 征 相 应 的 多 引脚 数 提供 与系 统 元 器 件 的有 效 接 口
低 电压 要 求
‚
C E X IK
器件 满 足廉 价
、
。
先 进 的 处理 功 能 和 2
高 容量 的应 用 需 要
‚
如D
SL
.
5V
调 制解 调
。
K 芯 片 的 内部 结 构 [‚61 如 图 2
. 2
所示
。
每个
A c E x 1K
器件 包 含 一个 实
现 存 储 器 及 特 殊 逻 辑 功 能 的增 强 型 嵌入式 阵 列 和 一 个实现 一 般逻 辑 的 逻 辑 阵列
嵌入 式 阵 列 由 一 系 列
块 (L A
B )
选择器等
个
4
组成
或跨
输入
。
。
组成
每个
U
L
T
、
‚
EA B
组成
‚
每个
可 用 来 实现 普通 逻 辑功能
LA B
提供
‚
4096
位
如 计 数器
、
。
逻辑 阵 列 由逻 辑 阵列
加 法器
包 含 八 个 逻 辑单 元 ( L E ) 和 一 个 局 部 互 连
、
。
状 态机
、
多路
一 个 L E 由一
一 个 可 编 程触 发器 和 为 了 实 现进位及 级 联 功 能的专用 信 号 路 径
八 个 L E 可 实现 中 规 模 的逻 辑块
LA B
EA B
。
‚
如 八 位 计数器
。
进 行 组 合 以 建 立 更 大 的逻 辑 块 每 个
LA B
、
地址译 码 器 或状 态 机
‚
代表 大 约 % 个 可用 逻 辑 门
。
基于 F
P
G A
的 图 像 处 理 算法 的 研 究 与硬 件 设 计
主喇如自目 翔甲
图 2. 2
.
u a
t
r
u s
本课题 的 F P G
A
设 计 是在
三 方 仿 真 软件 M e
d
el
2 3
基于 Q
s
A C E X I K 芯 片 的 内部 结 构
l 的 F P G A 设 计 流程
公 司 的 F P G A 开 发 环 境 Q 斑功tU
Alt era
加 中完 成 的
。
Q u ar tu
便 对在 Q u ar tu
s
完整 的 F P G
设 计 流程 包括 设 计 输 入
线
、
A
s
l 和 M
n 环 境 下 建 立 的 工 程进 行 仿 真
、
。
(l
)
Qu
种 方式
、
综合
、
‚
ll
[ ‘17 以 及 第
‚
可 以很 方
基 于 Q 斑犷tu
综合 后 仿 真
、
s
ll 的
布 局 与布
。
9】
设计输入
别r
tu s
。
间有接 口
el si m
如 图 2. 3 所 示
功能 仿 真
布 局 布 线后 仿 真 和 下 载 配 置 等 主 要 步 骤 【’“ ][l
ed
s
n 支 持 的 输 入 方 法 包 括硬件描述语 言 H D L
H D L
语 言在 描 述 状态 机
、
控 制逻 辑
、
、
状 态 图 与 原 理 图输入三
总 线功 能方面 较 强
‚
使其描述 的
;
电路 能在 特 定 综 合器 作 用 下 以具 体硬 件单 元较好 地 实现 而 原 理 图输 入 在顶层 设
计
、
数据 通 路逻 辑
等特 点
。
(2
)
、
手 工 最 优化 电 路 等方 面 具 有 图形 化 强
本 设计 以 V
H D L
输 入 为主
‚
原 理 图输 入 为 辅
、
单元 节 俭
、
功 能 明确
。
功 能仿真
电 路 设计 完 成 后
是否 符 合 设 计 的要 求
‚
。
‚
要 用 专 用 的仿 真 工 具 对 设 计进 行 功 能仿 真 验 证 电路 功 能
通 过 仿 真 能及 时发 现 设 计 中 的 错 误
‚
加 快 设 计 进度
‚
提高
G A
基于 F
P
的 图像 处 理 算法 的研 究与硬件 设计
‚
。
设计 可 靠性 功 能仿 真 过 程 没 有 加 入 时序信 息 不 涉 及 具 体 器件 的 硬 件特性
文 在 设计 中使 用 M e
d le s 加 进 行 功 能 仿 真验 证
。
本
。
( 3 ) 设 计 综合
综合
功耗
、
‚
就 是针 对 给 定 的 电路 实现功 能 和 实现 此 电路 的约 束 条件
成 本 及 电路 类 型 等
、
、
、
翻 译成 由与 或 非 门 R
‚
A
通 过 计 算机 进行 优 化 处理
M
、
‚
将H
D L
‚
例 如 速度
语 言等设 计 输 入
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 获得 一 个 能满足 上述要 求 的 电路 设 计 方案
‚
‚
、
‚
。
对 于 综 合 来 说 满 足要 求 的方案 可 能有 多 个 综 合器将产 生 一 个 最优 的或 接 近 最
优 的结 果
。
因此
‚
综合 的过程 也 就 是 设计 目标 的优化过 程
。
设 计输入
入
H D L
输入
综合
调用
A lte r a
H D L
公司
门级 网 表
的布 局 布 线工 具
布局 与 布 线
H D L
SD F
门级 时 序
fl 级 时序
序
真
布 局 布 线 后 仿真
下 载 配置
置
图 2.
3
基于 Q u
翻r
tu s
n 的 F P G A 设计流 程 图
基于 F P G
(4 )
A
的图像 处理 算法 的 研究 与硬 件 设 计
综合 后 仿 真
综合完成 后 需要 做 综合 后仿 真
‚
。
以检 查 综合 结果 是 否 与原 设计 一 致 在 仿真
‚
‚
‚
时 把综合 生 成 的延 时文 件 反 标 到 综 合仿 真 模 型 中去 可 估计 门延 时 带来 的影 响
综 合后 仿 真 虽 然 比 功 能仿 真 精 确 一 些
‚
但 只 能估 计 门 延 时
‚
而 不 能估计 线 延 时
‚
‚
。
仿 真 结 果 与布线 后 的 实 际 情 况 还 是 有 一 定 的 差 距 并 不 十 分 精 确 这种 仿 真 的 目
的在 于 检 查 综 合器 的综 合 结 果是 否 与 设计 输入 一 致
(5
)
。
布 局 与布 线
‚
‚
综合 完 成之 后 根 据 所选 芯 片 的型 号 将 综 合 输 出 的逻辑 网 表适 配 到 具 体 的
FPG A
器件上
‚
即 布 局 与布线
并把 它 们 分 配 到 F P G
。
布 局 是指 从 映 射 取 出 定 义 的逻 辑 和 输 入 输 出块
;
内部 的物理位 置 布 线 是指利用 自动布 线 软 件使 用 布线 资
A
源选 择 路 径试着 完 成 所有 的逻辑连接
一 次 完 成 布 局 与布 线 等 工 作
(6 )
‚
‚
。
Qu
a
tu
r
s
ll 含 有功 能 强 大 的编译 器
同 时 提供 一 系 列 的 时序 信 息报 告
‚
可以
。
布 局 布线 后 仿 真
布 局 布 线之 后 需要 做 布 局 布 线 后 仿真
‚
将 布 局 布线 的 时延 文 件 反 标 到 设 计
‚
‚
。
中 使 仿 真 既 包 含 门 延 时 信 息 又 包 含 线 延 时 信 息 与 前 面各种 仿 真 如功 能仿 真
‚
综合 后 仿 真等 相 比 布 局 布线 后 仿 真包 含 的延 时信 息最 为 全 面
反 映 芯 片 的 实 际 工 作 情况
‚
、
准确
可 以有 效 的 分 析 设 计 中 的 竞 争 和 冒 险
‚
、
能 较好 的
。
(7 ) 下载配置
整个 设 计 开 发 的最 后 步 骤 就 是 在线 调 试 或 者将 生 成 的配 置 文 件 写 入 芯 片 中
进行测试
‚
从硬 件 上 验证 整 个 设 计
拟 正 确 的前 提 下
FPG A
‚
设 计 有 两种 配 置 形 式
被 动 串行 ) 方 式 和
所 以使 用 芯 片 上 的
SP 3 O S O F P G A
下 载 也 叫 芯 片配 置
‚
是在功 能 模 拟 与 时序模
将 综 合 后 形 成 的位 流 数据 文 件 下 载 到 具 体 的 F P G
:
JT A G
实验 板
‚
A
芯片中
直接 由计 算 机 经 过 专 用 下 载 电缆 进 行 配 置
配 置 芯 片 进行 上 电 时 自动 配 置
S e ri a
l
。
JT A G
。
Al
te r
a
方式
。
‚
。
由外 围
公 司 的 F P G A 下 载 可 以选择 P S ( P as si v
e
因 为 F P G A 大多 支 持 IE E E 的 JT A G 标 准
口 是常用 下载方式
下 载配 置 采 用 的是
。
‚
本 设计 验 证 平 台为 深 圳 瑞 芯 科技 的
JT A G
模式
。
G A
基于 F
P
的图 像 处 理算 法 的研 究与 硬 件 设 计
第三 章
本 文 主 要 研 究基 于 F P G
计 的核心 内容
的 前提 和 关 键
‚
A
数 字 图像处理 算 法
的 图像处 理 算 法 的 实 现
‚
因 此 图像 处 理 算 法是 本 设
深 入 理 解 和 分析这些 图像 处 理 算法 是 利 用 F P G A 硬 件 来 实现 它们
。
‚
本 章 在 首 先 引入 方 形 窗 的概 念 后
求
‚
深 入分 析 了 中值 滤 波
、
顺 序滤 波
、
结合 F P G
A
硬 件实现 图像 算法 的特 点和 要
数 学 形 态学
、
卷 积 运 算 和 高斯 滤 波 等 数 字
‚
。
图像 处理 算法 特 别 的 本 章在 传 统 的中值 滤 波 算 法 的基础上 提 出一 种 快速 中值
滤 波算法
. 1
3
‚
并对 两 种 中值 滤波算法进行 分 析 与 比较
。
方形 窗
‚
‚
在数字 图像 处 理 中 许 多算 法是 基 于 滑 动 窗 的 滑动 窗操 作是 图像 滤 波和 形
态 学 运 算 的基 础
。
长 度 或 形 状 的邻 域
它 使用 一 个 窗 口
‚
‚
这个 窗 可 以 是 一 个 点 ( o ri g in ) 周 围 的特 定
。
‚
来 计 算 算法 的输 出 例 如 滑 动 方 形 窗操 作 可 以 实现 运 算 整
个 邻 域 内所 有像 素 的平 均 值
‚
这 便 是均 值 滤波 的 原 理
。
篮
.
图3 1
本 文就是 基 于 方 形 窗 ( 图
可小
‚
.
3 1
)
3x 3
方形 窗
来 实现 图像 处理 中一 些 算 法
一 般 这 些 滤 波 窗都 是 尺 寸 为 奇 数 大 小 的滑 动 窗 口
本 文 在 图像 算法 的 F P G
大 小为 2 5 6 x
2
用更 多 的 F P G
56
A
A
3
硬 件 设 计 中选 用 的 是 3
x
的灰 度 图像 已 经 足够
‚
。
如 33
x
‚
方形窗 口可大
‚
‚
5x
5
。
等
。
‚
‚
不 但会 占
图像 处 理 效果 也 不 一 定有 明 显
的 改变 本 文 将 会在后 面 的章 节 中详 细 介 绍 3
x 3 方形 窗模 块 的硬 件 设 计
出 5 x 5 方 形 窗模 块 的硬 件 设 计
7x
7
方形 窗 因 为 这 对 于 处理 一 幅
如 果 选用 较大 尺 寸 滑 动 窗 的 话
芯 片 的硬 件 资 源 工 作 频 率 降低
。
‚
。
‚
同时 引
基于 F
P
3. 2
G A
的 图像 处 理 算 法 的研 究 与 硬 件 设 计
中值 滤波
‚
中值 滤 波 川 [2 0] 是 一 种 非线性 的 图像 平滑 方法 与均 值滤波 器 以及 其他 线 性滤
‚
波 器 相 比 它 能够很好 地 滤 除脉 冲 噪 声
种邻域运 算
级 进 行排序
g
(x
‚
‚
‚
x
e
‚
dia
‚
n
x 一
{f (
、
方形
‘‚ 一 j )
‚
、
十字 形
、
本设 计 采 用 3 x3 方 形 窗
。
它是 一
而 是 把邻 域 中 的像 素 按 灰度
‚
中值 滤 波 可 定 义 为
:
(‘j ) 。 砰
‚
}
‚
‚
i y 一 力 分别 为 输 出和 输 入 像 素 灰度值 牙
一
x
力和f(
窗 牙 可 以取 线状
中值 滤 波
‚
然 后 选择 该 组 的 中 间值作 为输 出像 素值
‚) = m
:
同 时又 能 够保 护 目标 图 像边 缘
类似 于 卷 积 但 计 算 的 不 是加 权求 和
‚
式中 g
(
‚
圆形
、
菱形 等
。
为 了便 于 在 F P G
为模板 窗 口
A
。
硬 件 上 实现
。
二二合
取 3 3x 窗
中值取代 中 间 位 置 像 素值
对 窗 中 的像 素进行排 序
} 5
l
} 7
} 12 } 13 } 1 8 } 2 1 } 2 4
} 9
中值
图3
.
2
中值 滤波 实现 过 程如 图 3
寸 的滑 动 窗 组成
‚
中 值 滤 波算 法 实现 框 图
.
2
所示
。
标准 的中值 滤 波器 都 是 由一 个 奇 数大 小尺
通常为 3x
3 窗或 5 5
x 窗等
‚
。
以 3x
3 窗 为例
‚
该 窗 沿 着 图像 数 据
‚
的行 方 向逐像 素滑 动 在 每 一 次 滑 动 期 间 内 方 形 窗 中的所 有像 素 按 照 灰度值 被
排序
‚
这 组 数 据 中 的 中值作 为 输 出
‚
替 代 原 来 窗 函 数 的 中心 位 置 像 素 的 灰 度 值
。
基 于卫 P G
以 3 x 3 方 形 窗为例
处 理 6 5 5 3 6 个像素
‚
A
的图像 处理 算 法 的研究 与硬件 设 计
‚
‚
对一幅 2 5
6 x
2 56 的灰度 图像进 行 中值滤波 处理 共需 要
对每个 像 素 点 及 其邻域 取 中值 需 36 次排序运 算
‚
。
可见
‚
中
‚
。
值 滤 波 虽 然 算 法 比较简 单 但 是 运算 量 非常大 在 实时 图 像 处 理系 统 中 处 理 数
据 量 巨大
‚
FPG A
使用
对 处理 速度 要 求 很 高
‚
如 果 使 用 软件法 处 理 无法 满 足 实 时 处理 需求
‚
硬件 能够 对 图 像 数据 信 息进 行 并行 处 理 和 流水 线 操 作 只 需 要 一 个 时
钟 周 期 就 可 以 完 成 对 一 个像 素 及其 邻 域 的 中值 滤 波 算 法 处 理 12
1 3
。
’】
快速 中值 滤波
根 据 传 统 中值 滤 波 算 法 排 序 费 时
种 窗 内像 素灰度值排 序 的 改 进算 法
‚
件 资源 也 更 少
3.
3 1
不 利 于 实 时 处 理 的缺 点[2
即 快速 中值 滤 波 算法
。
]
‚
本文提 出一
快 速 中值 滤波 算法对
不 仅 运算 量大大 减 少 在 F P G A 硬 件实现 上所 占用 的 硬
因 此 它 对 图像数 据 的处理速 度 比 传 统 中值 滤 波 算 法 更 快
。
算 法 原理
‚
以 3x 3 窗 为 例
‚ :
‚
‚
‚
‚
比 于 传统 中值 滤波 算 法
xt‚
。
i
一
=l
‚
=
牙 j
得到 X
’ 、 (X’ 卜
‚
1一
‚
.
‚
平
之 厂 ‘‚ )
‚‚
快 速 中值 滤 波 算 法 原 理 如 下
.
3 3
所示
5
1
8
3
‚
2
7
‘
4
‚
‚
2k +l
再把 X
’
‚
对 角 线 上 的像 素取 中值输 出
实现 过 程 如 图
二
(牙
‚‚
‚
:
对 窗 内像 素 灰 度 值
牙 表 示 窗 口 大 小 ) 先 进行 列 排 序 ( 降 序 )
按 照 行排序 ( 降序 ) 得 到 X
’
得M
二
e
M
d{ X
w
l
+
飞
一k
). * : k =
飞(X ;
j
‚
1 一 牙}
o
‚
一‚
l
7
9
8
5
‘
4
3
1
2
闪
.
‚
‚
快速 中值 算法
行排序
二今
瓢
甜
快 速 中值 滤波 算 法 实 现 框 图
‚
快 速 中值 滤波 算 法 同 时 也 可 以推 广 到 5 5x 窗等 实现 过 程 类似 于 3
x
。
t.‚)
。
图3 3
此 不再 做详 细 介 绍
之X
3
‚
窗 在
一’
W lll
W 13
W 122
G A
基于 F
P
的 图像 处 理算 法 的研究 与硬 件 设计
‚目班 2
爪a
x l
e
认瓜11
W 刀
联口3
3
东 dl
班已 d Z
研门1
1
W 刃
认门33
东i n l
班i n Z
.
图3 4
I 日龙 3
互 d3
肚n
‚
) 其中 M a
x
Mi n(i
序 ( 降序 )
‚
、
和 c l 的 中值输 出
行排 序 后
‚
。
A
、
)
i
(
B
、
)
i
(
。
‚
可 以得 到 A l = M a
x {M a
x
=
A2
l
‚
‚
于 M a
x (i)
>
AZ
A 3
‚
e
d {M
因此
得出
l
x
a
二
2
A
‚
‚
、
C Z
、
C 3
‚
不 为 中值
e
B l二 M
以 B
l
的性 质
:
e
M a
x (l)> M
5
M a
x Z
‚
C 3
B Z=
in( l)
5
个像 素 值
。
可 能为 中值
因此
‚
‚
e
M
d (l卜M i
n
9
d (m
值
;
B Z
、
‚
B Z
‚
除去 最 大 值
‚
B 3
C I }即 A 3
小到 第 四 小 的三 个像 素值
个 像素值 中
‚
;
‚
、
A l
、
‚
M a
x 3}
l
其实 A
‚
(l)
‚
A 3=
所以A
2
同理
‚
‚
e
B Z
‚
最 小值
C 3
‚
B Z
也 就 是 9 个 像 素 值 的最 大 值
‚
e
M a
x (m )> M
C Z
‚
‚
d (m
、
2
A
A 3
d(
n
‚
)> M in m
( )
)> M in (n )且
以及
。
9
;
对应的
l
‚
C Z
因为
B I> B Z > B 3
所以B
、
A2
且
可 以 很 容 易分 析 出
至 少 小于 5 个像 素值
‚
A 3
2
A
、
、
B Z
、
e l
B l
C l
其 中的一 个
。
‚
‚
所
B 3
和 B 3 都不
B l ( 像素 值 范 围为
‚
M a
x {A 3
‚
B Z
‚
‚
1 }
c
一 起 组 成第 二 大 到第 四 大 的三 个 像 素
的 中的最 小 值将 和 B
因此 M e
d {A 3
‚
、
。
都属
其像 素 值 范 围为
‚
按照对称性
B 3= M
、
即A l为M a
x (
) 三 个像素
i
不 为 中值
‚
A 3
C Z ( 像 素 值 范 围为第 二 最 小 值 到第 四最 小 值 )
它 是 第 五 大 的像 素 值
‚
M e
d (i
)和
然 后按 照 行 排
其 范 围为第 二 大到第 四 大 的 像素值
C l 的 中 的最 大值将 和
M in {A 3
。
)> M ni (m
)
‚
、
M a
x (
i)
个像 素 中第 二 小 到第 四 小 的像 素值
中值 只 能 为对 角 线 上 三个 像 素 值
、
‚
;
( i)> M i
d
n( )i 第 二 级
e
M
其 范 围为第 二 小到第 四小 的 像素 值
第 二 最 大值 到 第 四最 大 值 )
即A 3
‚
‚
为 9 个 像 素 中的最 小 值
至 少大 于 5 个像 素 值
至 少 小于
对 33
x 窗中 的 9 个像
中值 和 最 小 值
‚
个 像 素值
其像素值范 围为
d (l)> M
、
‚
‚
个像 素 中 的 第 二 大 到第 四 大 的 像 素 值
C l
‚
所示
M ax Z M a
x 3 } A 3 = M in {M ax l M ax Z M ax 3 }
至 少大 于
A2
4
可 以得 到 M xa i( )>
‚
M
.
分 别 得 到 三 列 数据
值 的 最 大 值 容 易 看 出 经 过两 级排 序 后
而 由于
如图 3
;
q )i 最 后 取对 角线 上 的三 个像 素 值
第 一 级列 排 序 后
‚
C l】
快速 中值 滤波 流 程 图
M e
d 和 M ni 分 别 表 示 最 大 值
分 别得 到
‚
3
先 进 行 列 排 序 ( 降序 )
3
~w
山 班
e
下 面 证 明快速 中值 滤 波 算 法 的 正 确 性
素值 w l
。
一d
B Z
‚
3
、
e Z
一起组成第二
l }就 是 中值输 出
C
同 时 也 是 第 五 小 的像 素 值
‚
在 所有 的
9
。
‚
从 以上数 学证 明来 看 快 速 中值 滤 波算法 处 理 虽 然 简 洁 明 了 但 是 它 的 逻辑
基 于 即G
原理较 难 理解
。
A
的图像 处 理算 法 的研 究与 硬件 设计
‚
实际 上 它 并没有将全部
9
‚
个 像 素 按 像 素值 大 小 排 出顺 序 而 是
‚
。
通 过 简 练 的 比较 运 算 快 速 运 算得 出 9 个 像 素 值 的 中值 输 出 正 是 因 为 快速 中值
滤波 算 法在 尽 可 能 的 减 少 比 较 运 算 量 的 基 础 上 实现 了 中值滤 波
P
F
‚
G A 上 实现 上 比传 统 中值 滤 波算 法节 省 不 少 的 硬 件 资源
FPG A
序 和 列 排序 等运 算 也 很 适合在
3. 3. 2
上 实现
‚
使 得 该 算 法在
并 且 该 算 法 中的行 排
。
算法分析
‚
在 中值 滤波 中 窗 口 内的所 有像 素 点 的灰 度值 从 小 到 大 ( 或 从 大到小 ) 顺序
‚
。
排 列 并 以灰度值序 列 的 中 间值 来代 替 窗 口 中 心 位 置 的 像 素 点 的 灰度 值 这就意
。
味着 中值滤 波在 执 行 过程 中要 进 行 大量 的 比 较运 算
波器来 说
一幅 2
56x
‚
运 行 一 次就 要 进 行
25
6
的灰度 图 像
‚
n Z
n Z
(
合
对于
n
一1
x
)次 排 队 和 比 较运算
所 需 的 时 间 是 相 当长 的
方 形 窗 的 中值 滤
可 以预 见
‚
要处理
。
本 文 提 出 的快 速 中值 滤 波算法 是 将 一 个本来 含 有 m
‚
。
n
‚
x m
像 素 的 二 维 阵列 先
‚
进行 一 次列 排序 运 算 再 进 行 一 次 行 排 序运 算 最后 再将对 角 线 的像 素取 中值输
出
。
以 3 x 3 窗为例
‚
3 x 3= 9
列 排序运算 需要
次 比 较运算
‚
行排 序 也 同样 需 要
‚
‚
次 比 较运算 最后 将对 角线上 的 三个 像 素 值 进 行 比 较 后 取 中值 需 要
。
算 因 此快速 中值算 法 对 一 组
9
‚
次 比 较运
个像素取 中值 运 算 一 共 需 要 进 行 21 次 比较 运算
而传统 中值 滤波 算 法需 要 进 行 3
6 次 比 较运 算
进 行 1 52 次 比 较运算
3
。
对 于 5 5x 窗
‚
‚
快 速 中值滤波 需 要
传 统 中值滤 波 算 法 需 要 进行 3
0 0 次 比较 运 算
‚
9
。
‚
从 以上 分 析 中可 以 看 出 相 对 于 传统 中值 滤波 算 法 而 言 快 速 中值滤波 算 法
在 比 较 运 算 次 数 上 大大减 少
‚
从 而 提 高 了 处理 速 度
‚
滤 波 算法 而 言 快 速 中值 滤 波 算法 不 仅 易 于 实现
像 数 据 的 处 理 速 度 也更 快
. 4
3
‚
。
‚
特 别 的 对 于 硬件实现 中值
而 且 占用 更 少 芯 片 资源
‚
对图
。
顺序 滤 波
顺 序 滤 波 器 [23
]
属 于 非 线性 滤 波器
滤 波器 ( M
in im
m
u
‚
(R a
n k o re
d
:
Fi
e
t
l
r
) 是 图 像 处 理 中 应用 非 常 广 泛 的滤 波 器
‚
。
既可 以平 滑 图 像 又 能 够 去 除 噪 声 顺序滤波 可 以 实现 最 大 值
F ilte r )
、
第 二 最 大 值 滤波器
、
最 小 值 滤 波 器 ( M ax
ir n 切旧 F ilte r )
基于 F
P
等 任 意 级 数 ( o rd er ) 滤 波
G A
的 图像 处 理 算法 的研 究与硬 件 设 计
。
‚
顺 序 滤 波算 法 的原理 和 中值滤波算 法 的 原 理 类似 它 通 过 方 形 窗对 窗 内中 间
‚
。
位 置 的像 素 值及 其邻域像素 值 进行 排 序 以 3 x3 窗 为例 对 窗 内的 9 个像 素值 进
行 排序 运 算
‚
根据 输 出顺 序 级 数 ( 。rd
窗 的 中 间 位 置 像 素 的输 出 像 素 值
er
)
来确 定它 的输 出像 素 值
.
。
图中取 ro ed
作 为替代 3 3
x 窗 的 中 间位 置 像 素 值 的输 出 像 素 值
6
8
7
1
2
9
5
4
即代替 3 x
3
。
顺序 滤 波算 法 的 实现 过程 如 图 3 5
3
‚
r
为3
‚
也 即 将 第 三 大像素值
。
.
o r e
排序 选择输 出值 ( d 二 3 )
1
图3
3
2
.
5
4
7
6
5
‚
8
3
顺序 滤波 算 法 实 现框 图
‚
‚
在 顺 序滤 波 中 如 果 使 用 3 3
x 窗 滤 波 器对 窗中 的 9 个 像 素 值进行排序 运 算 ;
‚
如 果使用 5x
5 个像 素 值 进行 排 序 运 算
5 窗 滤 波器 就 对 窗 中 的 2
如 果 分别 取 最 大像 素 值 ( o rd e 二 9
)
和 最 小 像 素 值 ( or d
e 厂 l)
便分 别 实现 了 最 大值 滤 波 和 最 小 值滤波
作 为 输 出像 素值 的话
. 5
3
‚
。
特别 的
就 构 成 了 中值 滤 波
‚
。
以 3x
3 窗 为例
作 为输 出像 素值
‚
‚
)
如 果 将 中值 像 素 ( o rd e =r 5
。
数 学形 态 学
数 学 形 态 学 [l]
[2 0
]
是 以形态 结构 元素 ( s tr u
c
tu
r e el e m
e
nt ) 为 基础 对 图 像 进 行 分
。
析 的数 学 工 具 它 的基 本 思想 是用 具 有 一 定 形 态 的 结构元 素 去 度 量 和 提 取 图像 中
、
。
的对应 形状 以达到对 图像 分 析 和 识 别 的 目的 其 主 要 内容 是 设 计 一 整 套概 念 变
‚
‚
换 和 算 法 用 来 描述 图像 的 基 本 特 征和 基 本 结构 也 就 是 描 述 图像 中元 素 与 元 素
、
‚
。
部分 与部 分 间 的关 系 数 学 形 态 学 的应 用 可 以 简化 图像数 据 保持 它们基 本 的形
状特 征
‚
并 除 去不相 干 的结构
数 学 形 态 学 的基 本 运 算 有
。
4
。
个
:
膨胀
、
腐蚀
、
开 运 算 和 闭运 算
。
它们 在 二 值
图像 中和 灰度 图像 中各 有 特 点 基 于 这 些基本 运 算 还 可 以 推 导和 组 合成 各 种数 学
形 态 学 实用 算法
。
GA
荃于 F
P
1 5. 1
的 图像 处理 算法 的研 究与硬件设计
二 值 形态学
。
数学 形 态 学 中二 值 图像 的形 态变换 是 一 种针 对 集 合 的 处 理 过程 其 形态 算 子
‚
的实质 是 表 达物体 或形 状 的 集 合 与 结 构 元 素 间的相 互 作 用 结构元 素 的 形 状 就 决
。
定 了这 种 运 算所 提 取 的信 号 的形 状 信 息 形 态 学 图像 处 理 是 在 图像 中移 动 一 个 结
‚
、
构元 素 然 后 将 结构 元 素与 下 面 的二 值 图像进 行 交 并 等 集合运算
运 算 是 腐 蚀 和 膨胀
‚
作 用 相 当 于 信 号处理 中 的
‚
“
滤波 窗 口
腐蚀 和 膨胀 的 定 义 为
腐蚀
:
A O B
膨胀
:
A O B
二
=
基本 的形 态
。
在 形态 学 中 结 构 元 素 是 最 重要
的每 一 点 x
。
{x
I (B )
g A
二
=
x }(
{
B ) n
、
”
最基 本 的 概 念
。
。
结构 元 素 在 形 态变 换 中的
用 B 代表 结 构元 素
‚
对 于 原 始 图像 A 中
:
}
A
笋
。}
其 中 (B
)
二
为 B 的 集合
用 B 对 A 进行腐蚀 的 结 果 就 是 把 结 构元 素 B 平 移 后 使 B 包 含 于 A 的所 有 点
。
构 成 的集 合 用 B 对 诬进 行 膨 胀 的 结 果 就 是 把 结构 元 素 B 平 移 后 使 B 与 A 的交 集
非 空 的点 构 成 的集合
。
‚
。
先腐 蚀 后 膨胀 的过 程称 为 开 运 算 它 具 有 消 除 细 小 物体 在 纤 细 处分 离 物 体
和 平 滑较大 物体边 界 的 作 用
内细 小 空 洞
‚
开 运算
:
闭运算
:
. 5
3
. 2
。
。
先 膨 胀 后 腐 蚀 的 过程 称 为 闭运 算 它 具 有填 充物体
连 接 邻 近 物体 和 平滑 边 界 的作 用
o
A
o
A
。B
。
开 运算 和 闭运算 的 定义分 别 为
:
)。 B
B
二
A
(
B
二
(A 由 B )。刀
灰度形 态 学
。
二 值 形 态 学 处 理 的基 本 运 算 可 以 很 方 便地 推 广 至 灰 度 图像 的形态 学处 理 设
(
f
x
‚
) 是 输 入 图像
y
算 可 分别定 义 为
腐蚀
:
‚
b(
x
‚
力 是 结 构元 素
函 数 b 对 函 数 f 进 行 灰度 腐蚀 和 膨胀 运
:
‚
(f o b )(s t ) = 而n {f (s
:
膨胀 (f o
。
‚
b )(s t ) = m
x {f (s
a
+ x
‚
一x
‚
少) I(s
+ x
) (t +
少) “
马 :(
b (x 夕) l(s
一x
) (t 一 少) “
马 :(
t + 少) 一 b x
(
t一少 +
)
‚
‚
‚
‚
x
‚
少) “
几}
x
‚
夕) “
几}
GA
基于F
P
的 图像 处 理算 法 的研 究与硬 件 设 计
其 中 马 和 几 分别 是 函 数 f 和 b 的定义 域
‚
理 的结构元 素
数 (s
+
x) 和 (t
+
一
和 二 值 形 态 学一 样
不过 此 处 b 是 一 个 函 数 而 不 是 一 个 集 合
) 必 须包含在 f 的定义 域 内
y
结 构元 素将完 全包 含 在与被 腐蚀 的 集 合 内
t
(
‚
‚
。
。
b
是形 态处
对 于 腐蚀 运 算
与 二 值 得 腐 蚀 的定义 类 似
对 于 膨胀 运算
‚
位 移 参 数 (s
‚
力 必 须 包含 在 f 的定 义 域 内 此 时它 模 仿 二 值 膨胀 运算 定 义
必 须 至 少 有 一 个元 素 相 交 叠
‚
‚
‚
‚
位移 参
所有的
一
) 和
x
在这 两 个集 合
。
:
对 灰度 图像 的膨胀 ( 或 腐蚀 ) 操 作有 两 类 效 果
‚
;
则 输 出 图像 会 比输 入 图 像亮 ( 或 暗 )
(1
)
如果 结构 元素 的值 都 为 正 的
(2
)
根据 输 入 图像 中暗 ( 或 亮 ) 细 节 的 灰度值 以 及它 们 的形 状 相对 于 结 构
元 素 的关系
‚
它 们 在运 算 中或 被 消 减 或 被 除掉
。
灰度数 学 形 态 学 中开 运 算 和 闭运算 的定义与 在 二 值 数 学 形 态 学 中 的 定 义 一
致
。
用 函 数 b 对 函 数 f 进行 开 运算 和 闭运算 的 定义 为
开运算
:
f
o
b
二
(了。b
)
e b
闭运算
:
f
o
b
=
(f o b
)
o b
:
‚
开 运 算 和 闭运 算 这 两 种 二 次 形 态 学 算 法在 图像 复 原 中非 常 有 效 当 他们 重 复
或 交替 使 用 时
‚
可 以产 生 图像 的骨 骼化 处理
在 灰度 形 态 学 中
‚
3x
3
。
粒 状 处 理 和 纹 理分 割 等
的方形 结 构元 素 使 用 很广 泛
平 结构 元素 ( 结构元素 中的值都 为 l)
以通过 顺 序 滤波 来实现
、
。
特别 的
]
进 行形 态 学 操 作 时 I2’
‚
‚
。
当 使用 3 x
3 扁
腐蚀 和 膨 胀 运 算 可
‚
根据灰 度 形 态 学 的腐蚀 和 膨 胀 的定义 它们 分 别 计 算 出
‚
定 义域 范 围 内最 小 值 和 最 大值 这 点 和 顺 序 滤波 中最 小 值 滤 波 和 最 大 值 滤 波 的原
理是一致的
. 6
3
。
卷积 运 算
卷 积 运 算 120 ]是 数字 信 号 处 理 的一 个运用广 泛 的基 本 运 算
运 用 在 图像 处理 中125 ]z6[
性 处 理 并 得到 输 出图 像
1
。
。
在 图像 处 理 中
‚
‚
同时也 被广 泛 地
卷 积运 算 就 是 对 一 幅 输 入 图像进 行线
卷积运 算 的定义 如下
:
甚 于 FP
g
(x
‚
夕) = T
*
f (x
‚
‚) =
G A
功 一I 用 一 l
g
‚
‚
一
‘+
一l
m
‚
‚
(
T
‚
i
x
力 为大 小 m
、
.
‚
2
二0
f (x y
) 为 输 入 图像
‚
T (‘j )f (x
艺艺
= O J
万
其中
的图像 处 理 算 法 的 研 究 与 硬件 设 计
y
m
一
m 一1
+ 一弋丁一 )
乙
j
(m
为奇 数 ) 的卷 积 模 板
‚
。
x )y 为输 出图像
(
‚
。
在卷 积运 算 中 一 般 选 用 3
x 3 大 小 的卷 积 模 板 卷 积 模 板 就 是 用 于 图像 卷 积
‚
。
滤波 的 二 维数 字 阵列 是用 于 与 图像 做 卷 积 运 算 的 函 数 卷积运 算 的适 用 范 围很
‚
‚
‚
广 只 要 改 变 卷 积 模 板 中 的 系 数 就 可 以 实现 不 同 的功 能 如 去 噪 和 特 征增 强 等
这使得卷 积 运 算 非常 实 用
。
KZ
Kl
1
l
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
图 3.
l
一
3x 3
6
K3
一
1
一
6
1
1
l
·
1
9
1
一
1
1
·
1
一
1
一
1
一
1
卷积 模 板
、
‚
.
实 际 上 常用 的模 板 如 平 滑 模板 边 缘 检 测 模 板等 都 是 系 数对称 的 如 图 3 6
这 样 的特 征 给在
复用
‚
FPG A
‚
。
‚
硬 件 上 实现卷积 运 算 提 供 了 便 利 可 以在 设 计 中实行 模 块
从而 节 约 了 系统 资源 和 缩 短 了 设 计 周 期
孰 闰比出窗
冷 积徽 板
3x
P1
P2
P3
W 1
W 2
W 3
刊
P5
助
从两
W 5
W 匕
P7
P8
种
认刀
W 8
认勺
勺
图3
对 于 3 3x 卷积 模 板来 说
‚
.
。
7
Z 不月
卷 积 运 算实现 框 图
.
其算 法 实 现 如 图 3 7 所 示
。
可 以看 出
‚
卷 积 模板操
‚
‚
作 实 现 了 一 种邻域运 算 即 某 个像 素 点 的结果 不 仅 和 本像 素 灰度 有 关 而 且和 其
。
邻域点 的值 有 关 卷 积 运 算 是 图像 处 理 中最 基础
、
除 特征 提取
、
‚
、
最重 要 的算法 之 一
‚
在噪声去
图像 增 强 和 模板 匹 配 等 处理 中 都 可 采 用 卷 积运 算 来 实现
选择 不 同 的模 板
‚
卷积 可 以完 成 许 多运 算 127 ]I2
]
8
。
‚
通过
基 于 尹P G
. 7
3
A
的图像 处 理 算 法 的研 究与 硬 件 设 计
高斯滤波
高 斯滤 波 120 ]29[ ]是 一 种 低 通 平滑滤波
‚
常用 于 模 糊 处理 和 减少 噪 声信 号
‚
其
‚
‚
中模糊 处 理 常 用 于 预 处 理 即 在提 取 目标 之 前 去 除 图像 中 的一 些细 节 等 这 有 利
于 高通 滤 波 处 理
。
高斯 分布 和 高 斯 滤 波 算法 的数 学 定 义 如 下
高斯 分布
:
G
x
= 二
( y
)
同 刀 ‚t向‚迎尺 夕子 了石
_
;
f
_
_
.
rI
二e X D
‘
、
_
‚
g 气人 少少=
‚
其 中 f (x 力 为 输 入 图像
‚
昌
\
户
r
_
.
_
_
‚
‚
‚
x
(
g
’
‚‚
_ _
_
。
:
‚
气 _ ‘
‘。
、 ‚
u L 弄 少)
y
(
因 而 滤 波 后 的 图像较好
)、
—
一 x ‚+
‚
艺
* 袱‚* ‚*
‚
高斯 滤 波 算 法 克 服 了 边 界 效 应
l
l
/
、
_
1
_
_
J 气再 少) = 二 一 二 ‘ 入
一
‚
.
~
‘
~
_
一 x ‚十
r
P
沁
!-
.
又
代: 一 丁一
乙a
) 为 高斯 滤 波 后 的 输 出 图 像
y
‚
在 高斯 滤 波 中 为 了 简 化 算 法 以便 于 硬 件 实 现
‚
‚
、
一
夕‚)
(
*
‚‚
_
_
_
_
、
‚
.
l J 气x 少少
夕
。
可 以对 图 像 中某 点 的邻 域 进
。
行 相 应 的卷 积 模 板操作 其 算 法 实现类似 于 卷 积 运 算 高斯 函 数 为 正 态 分 布 函 数
因 此 当 它用 作 加 权 函 数 时 它 的 加 权 系数 是互 相 对 称 的
1
万百丁
图 3. 8
.
3 8
常 用 的 高斯滤 波模 板 如 图
2
7
12
7
2
7
31
52
31
7
15
52
12 7
52
15
7
31
52
31
7
2
7
12
7
2
高斯滤 波 模 板
。
如图
素 比 其他 位 置 的 任 何 像 素 的 权值都 要 大
‚
。
5 ‚ 5 模板
3 x 3 模板
要
‚
‚
‚
在 高斯 滤 波 中处 在 模 板 中心 位 置 的像
因此
‚
在 计 算 中给 定 的 像 素 显 得 更 为 重
而 远 离 模 板 中心 位 置 的 其他像 素 点 就 会 显 得 不太 重 要 130
1
。
由于 对 角 离 中 心
‚
比正 交 方 向的相 邻 的 像 素 更 远 所 以 它 的重要 性 比 与 中心 直 接 相 邻 的 四个像 素还
要低
。
‚
‚
将 中心 点加 强 为最 高 而 随 着 距 中心 点距 离 的增 加 而 减 少 系数值 这 也 是
为 了 减 少 平 滑 处理 中 的 模 糊
‚
当然
‚
也 可 以采 用 其 他 的权 重 来 达 到相 同 的 目 的
。
一
基于 F
P
第 四章
G A
的 图像 处理算法 的研 究与 硬 件设计
基于
FP G A
的图像 处 理 算法实现
本章将 详 细 阐述 图像 处理 算 法 的 F P G
、
滤波
快速 中值 滤 波
采用 的 F p G
. 1
4
A
、
顺序滤 波
、
A
‚
硬 件 实 现 这 些 算 法 主 要包 括
灰度 形 态 学 算 法
、
卷积运 算
、
:
高斯滤波 等
一
芯 片 为 A lte ra 公 司 A C E X IK 系列 的 E p lK l o o Q C Z o s 3
中值
。
所
。
滤波 器 总 体 硬件 设计 方 案
采 用 现 场 可 编 程 门 阵列 ( F P G
路 主要 包 括
:
成 模 块:功 能是
3x
3
‚
方 形 窗 生成 模块
A )
、
构建 的各 种 图像 处理 算 法 滤 波 器 的硬 件 电
算 法 模 块 和 行列 计 数 器 模 块
生成 用 于 实现各种 图 像 处 理 算 法所 需 的 3
x
3
。
3x
3
方 形 窗生
方 形 窗 ; 算法 模块 是
‚
图 像 处 理 的 硬件 实 现 电 路 设 计 中 的 核 心 模块 主 要 是 对 3 x
3 方形 窗 中 的 9 个数 据
‚
;
值 进行 各种 图 像 算法 处理 产 生 经 过 算法 处 理 后 的有 效 输 出 信 号 行 列 计 数 器 模
块 用 来 确 定 正 在 处理 的 数据在 图 像 数据 阵列 中的位 置 和 完 成 图像行 列 计 数 功 能
图像 处理滤波器 的 总 体 硬 件 模 块 框 图 如 图 4
入
‚
R ST
为 全 局 复位 信 号 输 入
‚
D
.
1
。
所示 C
LK
为 全 局 时 钟 信 号输
(7 :)
0 为 8 位 灰度 图像信 号 输 入
。
‚
经 过 图 像 算 法 处 理 后 的 8 位 信 号 输 出 因 为 本 设计 是 对 2 6
5 x
2 5 6 8x hi
行 处理
‚
所 以取
8
位输入信号
。
D V
为 信 号输 出 的 有 效 标 志
算法 模 块 处 理 后 的 有效 输 出 数据 值 时
‚
D V
为高 电平
‚
‚
。
D 0 u
t
(
T
:
7
0) 为
灰度 图像 进
即 当 输 出信 号 为 经
否 则 为低 电平
。
D O U T (7 :0 )
3生
x 3成
模 块窗
方形
CL K
R ST
算法 模块
块
D V
·
行 列 计数器 模块
·
图
.
4 1
滤波 器 总体 硬 件 模 块 框 图
该 总 体硬 件 设 计 方案 适 应 于 各 种 基 于 滑 动 窗 操 作 的 图 像 处 理 算 法 的
硬 件 实现
。
FPG A
‚
由 于 F P G A 设 计 中模 块 具 有 可 复 用 特 点 无 需 重 复 设计 3 x3 方 形 窗 生
成 模 块 和 行 列 计 数 器模 块
‚
只 需 要 在 顶 层 硬 件 设 计 中使 用 V H D L 硬 件 描述 语 言
基于 F P G
A
的 图像 处理 算法 的研究与硬 件 设计
‚
‚
或 原 理 图法 将 不 同 的算法模块 与 这 两 个 模 块综 合 在 一 起 工 作 并设 计 正 确 的时
序 关系
‚
即 可 实现各 种 不 同 图像 处 理 算 法 功 能
。
需 要 指 出的 是
‚
各 种 不 同 图像 处
‚
‚
理 算 法 的滤 波器 顶 层硬 件设 计 是 有 所 不 同 的 但 是 由于 底 层 模 块 的可 复 用 性 使
得 设 计 周 期 能够 有所 缩 短
4. 2
‚
设 计 也 更加 的简 洁 清 晰
。
中值滤波 的硬 件 实现
、
下 面分别介绍 3 x
3 方形 窗 生 成 模 块 行 列 计 数 器 模 块 和 中值 滤 波算 法 模 块 的
硬 件 设计
。
由于 设计 3 3
x 方 形 窗 生 成 模 块 需 要 使 用 FI F O 存储器
模 块硬 件 设计 之 前 本 节先 介 绍 FI
一
.
4 2 1
FO
‚
所 以在介 绍 各
的 工 作原 理 及 其 基 本 逻 辑 参 数
。
F IF O
t
I F o ( Fi rs
F
和输出口 )
、
In F i
s t o ut
r
‚
先进 先 出 ) 存 储 器 〔’5 ]是 一 个 具 有 两 个端 口 ( 输 入 口
能 按 先 进 先 出 的顺 序 来 暂 时存 放 数 据 的 存 储 器 件
I F O 和异步 F
F
I FO
‚
‚
异 步 FI
I F O 是 一 种特 殊 功 能 的 存 储 器
F
‚
‚
所 以 FI
FO
以用 作 并行数 据延 迟线
、
FO
内数 据 的 写 入 和 读 取 只 受读 /写 时钟 和 读 /写 请求 信
。
FI F O 在 数字系 统 中有 着 十 分广 泛 的应 用
数 据 缓冲存储 器 以及 速 率 变 换 器 等
‚
A
FO
数据
输 入端 口 的先 后 顺 序依 次 存 储 在存 储器 中 并 以相 同 的顺 序 从 FI
而 不 需 要 读/ 写 地 址 线
在FPG
。
‚
‚
FO
的 输 出端 口 送 出
号 的控 制
它可 分 为 同步
同 步 FI F O 是 指数 据 输 入 输 出 的 时钟 频 率 相 同
是 指 数 据 输 入 输 出 的时钟 频率 可 以不 同
以达 到 FI
。
处理 图像数 据 的 过程 中 本 文 使 用 FI
‚
FO
‚
可
。
‚
来缓 存 图 像数 据 每 个 FI
FO
‚
x 方 形 窗 同 时也 便 于 之 后 的 滤 波算 法 模块
存 储 一 行 图像 数据 不 仅方便构 成 3 3
处理
。
‚
的每 一 块
R A M
‚
由 于 应 用 场 合 的特殊 性 我们 要 求数 据 实 时 的进 行传输 和 处 理 所 以 FI F O
R A
。
都 是 工 作 在 刷 新 一 读 取 一 刷新这样 的循 环 中 在牺牲 一 定 的 物 理
M
的基 础 上
Qu
咖
5
‚
这 样 可 以 获得 更 好 的 实 时性 能
1 提供 了 几 种 F I
F o
。
模 块 本 文 在 设 计 中选用 的是 单 时钟 同 步 F FI
可 在 L P M 宏 单 元 中调 用 此 FI F O 模块
辑参 数 可 见 表
.
4 1
和4
.
2
。
。
‚
并做 必 要 的 参 数 设 定
‚
如 图 4.
2
。
o
‚
它 的逻
·
C 10 C
X
‚
曲、曰
尹、 、 沪
尹月 ‚ 、护
产
、
叼
k
ac ir
G A
基于 F
P
.
表
4 1
L PM
rd
e
、V 仃 C
g
的图像 处 理 算 法 的研 究与硬 件 设计
FI F O 宏 模块 基 本 逻 辑参数 ( 一 )
g
述
功 能描述
H
X
X
存储 器清 空
L
L
X
状 态 不 改 变 ( 需 要 时钟 上 升 沿 )
L
H
X
从 FI
L
X
L
变
状 态 不 改变
L
X
H
从
表
输入端 口
4. 2
F IF O
I F O 宏 模 块 基 本 逻 辑参数 ( 二 )
F
LPM
C lo C
同步读 取 时钟
d
re
k
q
写请 求控 制
q
读请 求 控 制
数据 输 出
q []
参数 设 置
m Pt
y
u se
ID T H
LPM
W
LP
N U M
LP
M
U SE
‚
上升沿触发
q= 1
~rd re q 二 1
时写 禁 止
时 写 禁止
I F O 中数 据 存 储 的 数 量
F
dw [l
M
‚
‚
I F O 中数 据存储 满信 号
F
I F O 中数据 存 储 空 信 号
F
fu ll
e
未 读空 时 )
中写 入数据 ( F IF O 未 写 满 时 )
功 能 描述
述
输 入 数据
r
FO
中读 取 数 据 ( FI
端 口 名称
d a ta [ ]
V 月T e
输 出端 口
FO
W
W
d
O R D S
度
at 〔1和 q 〔]端 口 的数据 宽度
I FO
F
中存 储 单元 的 数 目
〔」
度
端 口 的数据 宽度
”
”
“
“
选 择使 用 E A B 或 逻 辑 单元 实
“
”
现 FI F O 功 能 O N 为使用 E A B
“
O FF
为 使 用逻 辑单 元
u
ID T H U
EA B
se d w
‚
”
_
IP m
行f
o o
d a ta 【
7 0」
q【
7 0」
.
.
W r re q
rd r e
fu }}
e
q
‚ e lo e
use
火
8 b its
_
x
m Pt
y
二
d w [7 o ]
25 6 w
o rd s
in s t
砂
图 4.
2
一、
.
二
尹
LPM
‚
.
.
..
~
~
26
‚
二r
甲
‚
。
户
F IF O
.
. . ..
… …
矛
‚
一
‚
沪
}
. 0 . ‘
宏 模块
‚
基于f
图 4.
2
中所 示 的 F IF
读 控制信 号 线 r d r e q
单 元 的计 数器 us
能块 组 成
fu U
‚
‚
e
有 8 条数据 输 入 总 线 d a ta
O
条 写 控制 信 号 线 腑 eq
它们 是存储 体
‚
是在
rd
‚
r
‚
当
dr e
q
‚
w
1
、
e
‚
‚
8
。
因此
写指示 器 (
0
时
‚
d
y 二0
时
‚
r
q
就 为三态 输 出
3x 3
4. 2. 2
‚
R A M
而不 像
q)
~
o
‚
1
条
存储数 据
由 6 个小 功
满 逻 辑信 号
模块
。
在 时钟脉
FI
F O
堆栈
的输 出 数 据 线 上
‚
。
只
dr e
q 指 示 器 内容才 改变 而 指 向 F IF o 的下 一 个 单
下 一 个单元 的 内容 将替 换 当 前 内容 并从 q 端 口 输 出
上 总 有 一 个数据输 出
FI
F O
t 的 数据将 压 入
a
指 示 器 所 指 出 的 单元 内容 总 是 放 于
eq 二 0 且 e m Pt
‚
‚
k
条 时钟 输 入 线 lc co
m pt
y )
‚
条 数据 输 出 总线 q
这 是 一 个 同步 的 F IF
q 二 o 且 fu n =
e
wr
‚
读指 示器 ( r dr eq )
空 逻辑 信 号 e m p yt 和 计 数 器 su d
e
在 通 常情 况 下
‚
1
的 图像 处理 算 法 的 研 究与硬 件 设计
及 两 条 状态 信 号线 ( fu n
w
d
冲 的上 升沿 作 用 下
元
‚
PG A
那样
‚
。
所以
‚
q
在任何 时 候
只 有在 读有 效 时才有 数 据输 出
‚
平时
。
方形 窗生 成 模 块
‚
‚
如 前文 所述 在 中值 滤波 的 实现 过 程 中 需 要 选用 3 3
x 方 形 窗 该滑动 窗在 一
‚
‚
个 时 刻 处理 图 像 的某个 像 素 和 其 邻 域 像 素 经 过 中值 滤波 算 法 排 序 后 得 出其 中
‚
。
值像 素 来 取 代其 原 3 3
x 方形 窗 中 间 位 置 的 像 素 值 之 后 每 当 一 个 像 素及 其邻域
像素 经过 中值 滤波 处 理完 毕 后
‚
3x
3
方 形 窗将 不 断 右 移或换行
‚
直 到 将 一 幅灰度
‚
。
图像 的数据 阵 列 中的所 有像 素 全 部 处 理 完 在 中值滤波 的硬 件 设 计 中 本 文 采 用
3x
3
方形 窗
‚
它 同 时 也 适 用 于 顺 序滤 波
为 了 使 窗 中的 3 行 3 列 共
其 中 FI
FO
地址 宽度 为 W
‚
方 形 窗的硬 件 设计 中 本文 采 用 了 两 个 FI
(W
为 图像宽度 )
‚
‚
3
行
25 6x 2 56
的 灰度 图 像 所 以 FI
FO
模 板 所 对应 的
‚
3
列共
9
个 图 像数 据 值
的 地 址 宽度 为 2 6
5
‚
FO
这 样 每个 FI F O 正 好 可 以
存 储 一 行 共 w 个 图 像数 据 使 得 方形 3 3x 窗 生 成 模 块 的输 出 w
好 构成 3 x
3
。
个像 素 能够 在 一 个 时刻 同 时 输 出 便 于 之 后 的 核
‚
。
卷 积 滤 波 等 图 像 处 理 算 法 的硬 件实 现
‚
9
心 算 法 模 块进 行 流 水 线 处 理 在 3 x
3
存储 器
、
。
l l w 12 … w
‚
3 正
由于 本文 处 理 的图像 为
并 设 定为 单 时 钟 同 步 FI
FO
。
基于F P G
A
的 图像 处理 算 法 的研 究与硬 件 设计
F IF 0 2
IN
P
W ll
W 12
钾1 3
W 21
脚2 2
脚2 3
脚3 1
W 32
脚3 3
盯
3x 3
图 4. 3
图 4. 3 为 3 x 3 方 形 窗 结构 框 图
。
方 形 窗 结构框 图
如 图所 示
ts )
入 端 读 取 两 行 图 像数 据 ( 均 为 l 2
x 56 x
s bi
构 成整 个 3 3x 的方 形 窗
。
开 始滤 波 后
这 样 得 到 的 数 据 结果就 是 对 第 二 行
‚
‚
在 进 行 中值 滤 波 时
先 从数据 输
‚
这 样就 可
‚
从 数 据输 入 端 中不 断 读入新 的 图像数 据
。
lx 2 5
6
个 数 据 进 行 滤 波 的 数据 每 当从 数 据 输
‚
FO
‚
并 保存在 FI F O 存 储 器 中
入端读 入 一 个 新像素值 时 方 形 窗 向右 移 动 一 个位 置
最 右 边 的像 素 被 置 入 FI
0U
T
中等 待 处理
。
由于 FI
FO
‚
与此 同 时 前 一 刻 方 形 窗 中
在 时钟 的 控 制 下 每 一 个 节 拍
‚
输 出一 个新数 据 也就 等 于 窗 口 在 每 一 个 时钟 控制 下 沿 图 像数 据 的行 方 向逐 像 素
滑动
。
当 处理 完第 二 行 2 5
6 个像 素 后
第 一 行 的数 据
‚
‚
‚
第 一行 的 数 据 被 丢 掉 第 二 行 的数 据成 为
第 三 行 的 数据 成 为 第 二 行 的数据
‚
再 读 入 第 四行 的 数据 组 成 3 x
3
‚
窗 的第 三 行 的 数 据 接 着 再 进行 滤 波 后 得 到 的 是 对 第三 行 的数据 进 行 滤 波 后 的 数
‚
‚
据 结 果 ; 之 后 第 二 行 的数据被 丢 掉 第 三 行 的 数据 变 成 3 x3 窗 中 的 第 一 行数 据
‚
第 四行 的 数 据 变 成 3 3
x 窗 中 的第 二 行 数 据 再 读 入 第 五 行 的数 据 成 为 3
x
第 三行 数据
理
‚
n
以此 类 推
得 到最 终 输 出
存在 FI
第
‚
FO
一 l
中
‚
n
1
+
。
‚
在 处 理第
n
行数 据 灰度 值 的 同 时 就 应将 第
行 数 据 由数据输入 端 读 入
行 的 前 一 个数据 丢 弃
9
‚
‚
而 当第
个 数据
‚
每 个 FI
FO
n
一
1
、
n
行 数据 保
行 处 理 完 一 个数 据就 将
‚
且 每个 系 统 时钟 周
并送 中值滤波 算 法 模 块 进 行 流水 线 处 理
‚
‚
n
这 样 窗 口 逐 个 像 素 向右 滑 动
方 形 窗模 块 的设 计 类 似 于 3 3x 窗 如 图 4.
需要 使 用 4 个 FI F O
窗 中的
这 样 就 可 以完成 对 整 幅 图 像 的 像 素 值 阵 列 的 中值 滤 波 处
期能够读 出 一 个 窗 口 中的
5x 5
3
‚
的 地 址 宽度 为 w
4
‚
所示
。
。
为 了构 成 5 x
5 方形 窗
w 为 图像 宽度
。
‚
其工 作 原 理
塞 于 FP
G A
的 图像 处理算法 的研 究 与硬件 设 计
‚
和3
x 3 方 形 窗模块 一 样 每个 时钟 周期
‚
方 形 窗 中像素 不 断 右 移
F IF 0
F IF O
5
ll
W 13
W 144
W 15
W 21 W
22
认门3
W
24
W 25
31
32
认月 3
W
34
W 355
W 4 1 W 闷2
认两33
W 44
W 45
W 51 W
W 53
W
W
3
5x 5
4
‚
‚
3x
3
W 12
W
13
图 4.
灰度 图像
‚
3x
3
窗足够大
窗 模块 比 使用 5 5
x 窗模 块
‚
W Z1
5
第三
‚
个 像 素 值数 据
‚
‚
因 此选 用 3 x
3
R
l l 一W
和 FI F O 的作 用 后
22
W 23
3 共 9 个待 处 理 图
W 31
W
:
‚
32
原因 主 要 有 三 点 第 一
对于 处理一 幅
。
占用 更 少 的 FI
FO
3x
3
数 量 和 寄存 器 资源
窗输 出
对 于 中值 滤 波 处 理 而 言
。
。
W 33
并 能 够 获 得很 好 的 滤 波 效 果 第 二
‚
‚
方 形 窗 流程 图
‚
5
法处 理 所 占用 的 系 统 资 源 远远 少 于 对 2
‚
W
3x 3
对 于 每个 时钟 周 期
‚
55
可 作为 下 一 步 中值 滤波 处 理 的数 据输 入
少于对 2
5 个 数据取 中值 所 需 的运 算 量
源
W
‚
本 文 在 设 计 中选 用 3 3x 方 形 窗模 块
25
54
方 形 窗结 构 框 图
窗 函 数 生成 模 块 同时 输 出 W
构 成 了 3 x3 方形 窗
W 11
。
52
。
像 的 像素数 据
芯 片 资源
W
。
以此 类推
W 12
W
1
‚
是 3x
3 方 形 窗的流 程 图 容 易 看 出 经过 寄存器
在 每 一 个 时钟 周 期 时
2 56x 2 5 6
从 数据 输 入端 中读 入 一 个像 素 值 随着
最 右 边 的像素 又 进 入 FI F O 中
图 4.
图 4.
‚
‚
‚
9
‚
‚
使用 3 3x
因 而 也更 节省
个像 素 值 数 据
‚
5x
5
窗输 出
对 9 个数 据 取 中值所 需 的运 算 量 远
映 射 到硬 件 结 构上
‚
对
9
个数 据 进 行 算
个数 据 进 行 算 法 处 理 所 占用 的系 统 资
‚
窗可 以 使系 统获得 更 快 的 处 理 速度 节 省 出更 多硬 件 资源 来 实
甚于 F P G
A
的 图 像 处 理算法 的 研 究 与硬 件 设 计
‚
。
现 其他功 能处理 所 以无 论 是 从 节 约硬 件 资源 还 是 提 高处理 速度 的 角度 来 说 对
‚
于 中值滤波 或 其他 图像 处 理 算 法 的 硬件 实现 而 言
图 4.
d
6
为 3x
3
方 形 窗 生 成模块仿真 波 形 图
为图像 数 据 输 入 信 号
输出
能
‚
‚
dy
‚
w l
为有 效数据 输 出
c
玫
为时 钟 信 号
从 图 中可 以看 出
‚
‚
r
stn
为 复位信 号
该 模块 设 计 完 成 了 3 3
x
其 输 出 数 据 可 作 为 之 后 的中值 滤 波 算法 模 块 的输 入 数 据
3x 3
图 4. 6
4. 2 .3
。
窗都 是 最 佳 选 择
‚
3 为 3 x 3 方 形 窗 中 的 3 行 3 列 共 9 个 像 素 值 数据
w
~
。
‚
3x
3
方 形 窗功
。
方 形 窗 模块 仿 真波形 图
行 列计 数 器模 块
‚
3
在对 一 幅 2 6
5 x
2 56 的 灰度 图像 进 行 中值滤波 处 理 的 过 程 中 随着 3x
向右 滑 动
‚
己经处理完毕
‚n
n
+ 1
‚
n+
2
n
方 形 窗将 到 达 第
‚
一
1
、
n
和
需要转到去处理第
行 最 左端
‚
n
n
l
+
行 的最 右 端
l
+
行 的 数据
‚
‚
这 时 候 对第
n
窗不 断
行 的数据
同 时方 形 窗开 始移至 第
并 开 始 对 其 窗 内像 素 进 行 滤 波 处 理
。
因此
‚
在 硬 件设计 中
需 要 一 个 模 块 来 判 断处 理 数 据 是 否 已 经 到 达 图 像 边 缘 或 者 对 一 幅 图 像 中所 有 的
阵列 数据都 处理 完 毕 了
。
‚
行列 计 数 器模块 实 现行 列 计 数 功 能 通 过 此模 块来 判 断 图 像 处 理 是 否 到达 边
‚
。
缘或 者 处 理 完 毕 因 为 图像 数 据 为 二 维 阵列 数 据 所 以 设 计 该 模 块 时需 要 两 个 计
数器
:
行 计 数 器 和 列 计数 器
Cl k 为 时 钟 信 号 输 入
‚
。
图4
.
7
为 行 列 计 数器 模 块 图
直 接 与全 局 时 钟 信 号 相 连
全 局 复位 信 号 R S T 相 连 ; E n 为使 能 信 号
处 理 像 素 的行 位 置 ; C ol
Po
s
。
R
o
w P0
为 图像 列 位 置 标 志
‚
s
;
。
R ST
n
为 复位 端
为 图像 行 位 置 标 志
‚
‚
直接与
表示待
表 示 待 处 理 像 素 的列位置
。
墓于 F P G
n
UJ r
n
乡o
ls 和
数量
‚
n
川n
- r
o
A
x
N
(G
ws 都是 类 属
对于 2 5 6 x
2 56 灰度 图 像
大 小为 M
的 图像 处理 算 法 的 研 究 与硬 件设 计
的 灰 度 图像
‚
‚
en e
i
r
c
) 参量
‚
表 示 待 处理 图像 数 据 的行 和 列
本 设计 中定义 两 个 参 数 均 为 2 65
。
如果需要处 理
。
只 需要 将 这两 个 参 数分 别 设 置 成 M 和 N
图 4.
7
行 列计 数器 模 块 图
‚
为 了保 证输 出 图像 的 大 小 和输 入 图 像 的大 小 一 致 在 设 计 中还 要 处 理 发 生 在
。
图 像边缘 上 的 问 题 因 为 在 图 像边 缘 处 的 像 素无法 用 3 x
3 方 形 窗 来 覆 盖 住 并进 行
‚
‚
算 法处 理 也 就 是要 覆 盖 图像外 围 的 一 部 分 只 有这 样 才 能够 使 得 中 值 滤波 模块 的
输 出 数 据 为 有 效输 出
。
因此
‚
本设 计 把 图像边缘 像素 值 全 部 设 置 成
O
值
‚
只 有这
。
样才 能够 通过 使 用 行 列 计 数 器模块来 实现 图像 算法 行 列 计 数器 模 块 能 够 根据 目
‚
‚
前像 素 的位 置 并 能 判 断该 像 素 是 否 是 图像 的边 缘 如 果 已 经 到达 图像 的边 缘 则
;
把 0 值 直 接作 为 输 出 其他情 况下
图4
图4
.
8
.
8
‚
‚
为行列计数器 模 块 的 仿 真 波 形
‚
。
c P
当 列位 置 o
l os 由 2 5 转 为 。 时 也
行位 置 ro
‚
P
w
os 加 1
‚
由2
5 转为 2
6
也 即 表 示 图像 处理 继续转 到 下 一 行 的 第 一 列 处 开 始 处 理
计 数器模 块 的功 能
‚
。
行列计数 器 模 块 仿 真 波形 图
即 当对 一 行 数 据 处 理 到达 图像边 缘 时
置归 O
则按 照 中值 滤 波 算 法 进 行 处 理 后 输 出
本 模 块 的设 计 实现 了预 期 功 能
。
‚
‚
列位
完全 符 合 行 列
基于f
4. 2
. 4
PG A
的 图像处理算法的研 究与硬 件 设 计
中值滤 波算法模块
‚
‚
在 中值滤波 中 需要 选 用 3 3x 方 形 窗 然 后 对 窗 中的 9 个像 素 进 行排序运 算
‚
。
得 出 的 中值 像 素 替代 原 方 形 窗中 的 中间 位 置 像 素值 对 于处 理 一 幅 2 5 6 x
2 56 的 灰
‚
度 图像来 说 选用 3 3x 方 形 窗不 但 能保 证 很好 的滤波效果 而 且 不 会 占用 太 多 的硬
件 资源
。
更 进 一 步 的说
‚
它 可 以 降低 滤波 算法 的 复杂 性
‚
减 少 运 算 处理 量
‚
从而
。
能够 为 滤 波器 的硬件 实 现赢 得 处 理速 度 上 的优 势和 更少 芯 片资源 占用 率 3 x
3 方
形 窗 的硬 件设 计 本 文 已 经在 前 一 节 中详 细 介 绍
‚
如 图 4.
素 值 正 好 构成 中值滤波 算 法 模 块 的输 入 图像 数 据 值
5
所示
‚
其 输 出的 9 个 像
。
中值 滤 波 算法 模 块 是 对 由 3 x3 方 形 窗模 块 生 成 的 9 个像 素 值输 出 数 据进 行 中
‚
值 滤波 处 理 的模块 其 核 心 就 是 中值 滤 波 算 法 的 实现
很 多 方法
‚
例 如 冒泡 法
因 为传 统算法 运算 量 大
、
‚
‚
传 统排 序法等
。
中值 滤 波 在 软 件 上 实 现有
但 是 这 些 都 不 适合在 硬 件 上 实现
从 而 导 致输 出需 要 较 多 时钟延 迟
‚
影 响 处 理速度
:
‚
一是
因而
‚
不 适 合 实 时处理 ; 二 是 因 为传 统 算 法运算 量 大 在 硬件 实现 上 需 要 大 量 的 比较 器
和 寄存器
‚
需 要 占用 了 较 多 的 芯 片 资源
‚
这 使 得 系 统 的 时 钟 频率 的 不 高
。
‚
本 文 实现 的中值 滤波算法 有 别 于 传 统 的 排序 算 法 是 建 立 在 冒泡 排 序 法基础
。
上 的改进 算法 对 使 用
‚
FPG A
硬 件 来 实 现 中值 滤 波 而 言 采用 冒泡 排 序算法 虽 然
‚
‚
可 实现 其 中值输 出 但 需 要 耗 费 的 大 量 比较器 和 寄存器 资源 且 部 分 比较 器 和 寄
‚
。
存 器 的使 用和 中值输 出没 有 直 接 联系 造 成 了硬 件 资源 浪 费 本 设计在 传统 冒泡
‚
排 序 法 的基础 上 结合
‚
FPG A
硬 件实 现 比较 运 算 的特 点 做 了 必 要 的 调 整和 改 动
在 较 少 运算量 的情 况 下 实现 了 中值滤 波
图 4. 9 为该 中值滤波 算 法 的 流程 图
窗模 块 中输 出 的
放左边
‚
9
个像 素 值
‚
r
‚
。
w l
为 寄存 器
而 将较 大 的像 素 值 放 右 边
‚
~w
c
8
个 像 素 值 中的第
素 值 进 行 比较
出
。
如图
‚
‚
4
3 为 输 入 数据
为 比较器
‚
大 像 素 值和 第
5
8
‚
个像 素 进 行 比较 和 排 序 运 算 得 到
‚
大像 素值 再 将 这 两 个像 素 值 与第
‚
8
也就是 3x
3 方形
比 较 后 将较 小的像素值
经过 比 较 后 取这 三 个像 素 的中值 输 出 即 为
该 算法 一 共 经 过
‚
。
该 算 法先 将 3 3
x 窗 中的 9 个 像 素 中 的 前
前
‚
级 比较 运 算 后
‚
9
9
个 像 素 值 的中值 输
n
得 出最 终 的中值 输 出 m ed ia
‚
个像
‚
。
该
算 法 比 起 传 统 的 冒泡 或 者 排 序 法 的运 算 次 数 有 所 减 少 结 构清 晰 简 明 比 较 适 合
在 硬 件 上 实现
。
~
基于 即 G A 的 图 像 处理算法 的 研究 与硬 件 设计
育1
T
1
12
育1
3
百2
百2
1
份2
2
3
W
节3
31
贯3
2
R
3
R
Cll
r
ll
C 21
r
21
r
31
C 43
r
吸1
r
r
51
r
C 52
52
53
C 62
r
C
只
LO钾 C
祖G H
65 1
图 4. 9
V H D L
用
w l l < w lZ
e
ll
一
< =
w ll;
e
ll
一
< =
w lZ ;
中 值 滤 波 算法流程 图
硬 件描 述 语 言来 描 述 比 较 器非 常 方 便
言来 描述 两 个 像 素 点值 w
if
71
为 比较器
th
l
‚
例如
和 w 12 在 比 较器 cl l 上 的运 算
‚
‚
使 用 i垅 lse 条件语
源 代码 如 下
:
en
e ls e
e
1 1_ L
< =
w lZ :
e
1 lse H
<=
w ll;
en
d if
;
图
延 迟后
.
4 10
‚
为 中值 滤 波 模块 的仿 真 波 形 图
输 出 有 效 中值 信 号 m ed ina
。
。
如 图所 示
‚
经过 了
8
个 时钟 周 期 的
_
G A
基于 F
P
图4
FP
.
10
的图像 处 理 算法 的研 究 与 硬件 设 计
中值 滤 波模块 仿 真波 形 图
设计 [3l 】是 一 种 用 于 提 高 所 设 计 系 统 运 行
设计 中 的流水 线 ( Pi e
p lin )e
A
G
‚
。
速 度 的有 效 方 法 为 了保 障数据 的快 速 传 输 必 须 使系统 运 行 在 尽 可 能 高 的 频 率
‚
‚
上 但 如 果 某 些复杂 的逻辑 功 能 的 完成 需 要 较 长 的 延 时 就 会 使 系 统很 难运 行 在
高 的频率上
‚
在这种情 况下
‚
可 使用 流 水 线 技 术
‚
入触 发 器 使 复 杂 的逻 辑 操作分 步 完 成
的 运 行频率 得 以提 高
。
‚
‚
即 在 长 延 时 的 逻 辑功 能 块 中插
减 小 每个 部 分 的处 理 延 时
流 水 线 设 计 的 代价 是 增 加 了 寄 存 器逻 辑
‚
从 而 使系统
。
‚
流 水线 设 计 的一 个 关键在 于 整个 设计 的 时 序 的合 理 安 排 要 求 每 个操 作步骤
的划分合 理
。
如 果 前 级 操 作 时 间 恰 好等 于 后 级 的操 作 时 间
‚
设计 最 为 简单
的 输 出直 接 输 入后 级 的 输 入 即 可 ; 如 果 前级操作 时 间 大 于 后 级 的操 作 是
‚
‚
前级
则需 要
对 前 级 的输 出数 据 适 当缓存 才 能 汇 入 后 级 输 入 端 ; 如 果 前 级 操 作 时 间恰 好 小 于 后
‚
级 的 操 作 时 间 则 必 须 通 过 复 制 逻辑
‚
将 数据 流 分流
‚
、
‚
或 者 在 前 级 对数 据 采 用 存
。
储 后 处 理 方式 否 则会造成后 级 数 据 的溢 出 流 水 线 处 理 方 式 之 所 以 频 率较 高
是 因 为 复用 了处 理 模 块
想 的一 种 具 体体现
‚
它是
FPG A
设计 中面 积 ( 户J
A
一
二
‚
‚
读进 程
硬 件 实现
‚
:
缓存 进 程
思
‚
‚
以分为 四个 进程
d)
硬 件 设 计 上 本 文 采 用 了 流 水 线 结构 以便 能 够有 效 的
提 高系 统 的 工 作 频 率 满足 实 时 处 理 的要 求
A
) 换取 速 度 ( S p e
。
在 中值 滤 波器 的 F P G
像 算法 的 F P G
ea
‚
‚
如 顺序 滤 波
、
。
同 时 该 流水 线 操 作 也 适 用 于 其他 图
卷 积 运 算等
。
中值 滤 波 器 的逻 辑操 作 可
.
:
如图 4 n 所示
即输 入
:
‚
从 数据 输入端 中读 取 图 像 的 像 素信 息并 寄存
将 读 取 的 图像 信 息 写 入 FI
FO
存储 器 中
‚
。
构 成 3 x3 方形 窗 中的
G A
基于 F
P
3 行 3 列 共 9 个 像 素值
三
‚
滤波 进程
。
:
按 照 预 定 的 算 法 处 理要 求
数据 进行 各 种 图像 算 法 处理
四
‚
:
写 进程
的 图像 处 理 算 法 的 研 究与硬 件 设计
‚
即输 出
‚
对 从3 x
3 窗生成 模 块输 出的图像
如 中值 滤波 处理 等
。
将 经 过 滤波进 程 处 理 后 的输 出数 据 寄存 并 输 出
第
3
第
级
第
1
2
缓存进 程
级
读 进程
‚
沁波 进 程
存
储
.
图4 n
4
第
级
写进 程
鉴
忿
盆
羹
鑫
。
篓
落
中值 滤波器流水 线进 程框 图
‚
可 以看 出 在流 水线 设计 中 每个 进 程所 产 生 的数 据 输 出 都 直 接 与其 下 一 个进
‚
。
程 的输 入密 切 相 关 前 一个进 程 中的输 出 数据将 被 存储在 寄存 器 中 直 到 下 一 级
进 程准 备完 毕并 且 它 可 以 作 为 有 效 输 出信 号 被 下 一 级 进程 所 接 受
。
。
本 文 中 的所有 滤波 器 设 计 均 采 用 流 水 线技术 流水 线 设 计技 术可 以有效提 高
‚
系统 的 工 作 频率
FPG A
尤其 是 对
‚
单元 的个数 多 触发 器 资源 丰 富
变 量 的查 找 表 ( L U
T )
‚
]
为 了更 加 直观 的验 证
o
d e ls l
in
一般
上千 个 触 发器
以 有效 提 高 系统 的速度 [32
M ta lb
a 和M
。
器件
FPG A
的接 口
通 过 M atl ab 读 一 幅
式 存 为一 个文 件
(2 )
编写 M
帅 ut.
o
饮t
帅ut.
烈口舀通过
e st b e n
t
‚
式数 据 的文 件
(3
)
。
c
FP G A
的单 个逻 辑 单 元规 模 小
因 此 在 F P G A 设 计 中采用 流水线 技术 可
‚
‚
硬件 实现 的 中值 滤 波器 的处 理 效 果 本 设计 做 了
采用 了 M
256x
2
‚
t l比
a
和M
如 顺 序 滤波
o
d e ls h
a
、
进 行 混 合 仿真 [3 3 1[3 4]
卷积 运算 等
。
步骤 如下
。
该
:
‚
6 灰 度 图像 将 该 图像 各 点 的像 素值 以矩 阵形
5
的 te s t
ben eh
仿真 测 试 文 件
‚
通过 te s t b e n e h 中的读 文 件
‚
对
inP
ut.
tx t
进行 仿 真
;
.
坛 中 的 写文 件 进 程将 仿 真 后 的 输 出 结晃存 为 另 不个包 含矩 阵 形
饮t
。
通过 M a
l ab 将 包 含 滤 波 处理 后 的像 素值矩 阵数 据 的文 件 o
t
u Pt t.u
。
但逻 辑
的 逻 辑 单 元 中实现 组 合逻辑 的为 4
中 的 数 据 作 为测 试 中 的 输 入 激励 信 号
呻 ut.
显 示 为 输 出 图像
‚
饮 to
d e ls h
a
进程读 取
FP G A
。
仿 真法 同时 也 适 用 于 其 他 图像 算法
(l
)
‚
。
饮t
读出
·
FP G A
基于
的 图 像处理算 法 的 研 究与硬件 设 计
采用 M a
tl ab 和 M e
d el si m 混 合仿 真 显 示 的 F P G
如图
术
‚
.
4 12
。
硬件 设计 的 中 值 滤 波 器 效 果
中值 滤 波 是 一 种 能有 效 抑 制 图 像 噪 声而 提 高信 噪 比 的 非 线 性滤波技
在数 字 图 像 处理 中对 椒 盐 噪 声 的 滤波效 果显 著
(A ) 含 有 椒 盐 噪 声 的 图 像
(B
)
.
图 4 12
4. 3
A
。
中值 滤 波 处 理 后 的 图 像
中值滤波 处 理 图
快 速 中值 滤 波 的硬 件 实 现
‚
在 上 一 节讨 论 的 中值 滤波算 法 的硬 件 实 现 中 图 像数 据 需 要经 过
8
级 比较 运
‚
算 后 才 能得 到 中值输 出 也 就 是 说 3 3
x 窗生 成 模 块 的 9 个 数 据 输 出要 经 过
8
个时
。
钟 周 期 的延 迟才 能得 到 中值 滤 波 模 块 处 理 后 的 中值 输 出 为 了 进 一 步提 高 图 像 数
据 的 处理 速度
波 的改进 算 法
‚
‚
减 少 比 较运 算 量
‚
降低 芯 片 资 源 占用 率
即 快 速 中值 滤 波 算 法
‚
3x 3
‚
用
并 且 该 算 法 在 一 定 程 度 上 节 省 了硬 件 资 源
方 形 窗进 行 中值滤波 处 理 为 例
‚
V H D L
‚
对窗中 3 行
语 言 或 原 理 图法 较容 易 实
提 高 了算 法 处 理 速 度
3
。
因此
波 算 法将 占用 更 少 的硬 件 资源
实时处理 的要求
.
‚
‚
。
以选 用
列 共 9 个 像 素取 中值运 算
速 中值滤波 只 需 21 次 比 较 运 算 就 可 以计 算 出 中 值 输 出
次 的运 算 量 减 少 了 4
2 %
本 文 提 出 了 一 种 中值滤
。
快 速 中值 滤 波 算 法 在 设 计 上 简 明 扼 要
现
‚
‚
‚
快
比 传 统 的 中值 滤 波 的 3
6
相 比 于 传 统 中值 滤 波 算 法
‚
硬 件 实 现 快 速 中值 滤
从 而 使 它 能够 到达 较 高 的工 作 频 率
‚
以满 足 图 像
。
图 4 31 为 快 速 中值 滤 波 算 法 流 程 图
。
其中w
l l 一w
3 为 33
x
窗 生 成 模块 中 的
基 于 卫P G
9
个 输 出像 素 值
B Z
、
B 3
、
C
‚
‚
的 图像处 理 算法 的研究 与 硬件 设 计
同时也 是 中值 滤 波算 法 模 块 的输 入数据
均 为三 点 比 较 器
灰度 高低 输 出
A
。
1
‚2
1
‚3
v
1
A l
、
、
2
A
A 3
、
该 比较 对 输 出 的三个 像 素 值进 行排序 比较
自左 向右 的输 出 分 别 是 最 大值
‚1
。
节2
12
2
w
32
‚1
、
3
中值 和 最 小 值
‚2
3
w
l
B
‚
、
按照
。
33
三 点 比较 器
二
n
i
燕
爪e d l a n
.
图 4 13
输入 的
的 中值输 出
3
。
快 速 中值 滤 波算 法 流程 图
‚
行 3 列 共 9 个 图像 数 据 经 过三 级 三 点 排序 的 并 行 处理 后 得 到 相 应
三 级 的 排序 实现过 程 是
对各 自的 三 个输 入 数据 进 行排 序
送 至 比 较器
序
似
值
。
‚
、
第二级
B Z
‚
‚
‚
、
BZ
、
B 3
第一级
‚
B 3
‚
输 出 的 中值
、
B 3
运 算 规 则与第 一 级 的 比 较 器
。
此时
输 出 的最 大值 这 三 个 值之 中
滤 波 算 法 中行 排序 后 的 对 角 线 上 的三个像 素 值
二 级 的 3 个 输 出值 的 中值
‚
l
、
、
2
A
A 3
B l
分别
‚
中值
也 这 即 对 应 快 速 中值 滤波算法 中 的列 排
这 也 就 是 对 应 快 速 中值 滤 波 算法 中的行排 序
B Z
通过 比 较器 A
并将 各 自得 到 的 最大值 送 至 比 较 器
最 小 值 送 至 比 较器
比 较器 B l
:
。
‚
‚
A l
、
2
A
、
3
A
相
中值 在 B
l 输 出 的最 小
同时 这 也 对应 了快 速 中值
第三 级
‚
通 过 比 较 器 C 得 出第
这 就 是 输 入 的 9 个像素值 的中值 输 出
。
‚
‚
在快 速 中值 滤波 算 法 的硬 件 设 计上 首先 考 虑 构 成 一 个 三 点 比较 器 该 比 较
。
器 是 后 续 图像数 据 处理 的基 础 三 点 比 较器 的设计 关 键 是如何 利 用 比 较运算 的特
。
点快 速 完 成 三 点 的排 序运 算 针对
FP G A
‚
内部 寄存器 资 源丰 富 的特 点 本 设 计 采
G A
基于 F
P
的 图像 处理 算 法 的 研 究 与硬件 设 计
。
.
用 了 流 水 线 法设 计 了三 点 比较 器 如 图 4 14 所 示
为 时钟 信 号
{a
m a
x
比较
‚
‚
‚
R S
。
Th 为 复 位信 号 第 一 级对
} 和 n 五n {a
b
‚
} 同 c 一 起 锁存
b
较 小 的值 即 为最 小 值 m ln
三 级 比 较 后 较 大 的值 为 最 大值 m
‚
‚
‚
ax
‚
.
4 1
5
图
rs i
n
.白
‚
14
H D L
‚
m
、
x
a
m
源代 码 如 下
‚
d 和m
e
m Pa
第
2
2
级
级
七
匕
较
a
in
、
b
re
en tity
P o rt
a‚ b
.
e :
n
i
o
l
d
eo
(e lk
‚
st
m P
.
15
m
m
‚
.
3 15
in
:
d
lo g ic we y e e to r (7 d o 认叽to 0 );
rs
st
in
进 行两 点
‚
第
。
.加
c
‚
3
In 巴 嘴
级
比
较
为三 点数 据输入
、
.
m in 【
7 二D 】
e
d【
7 二D 】
a x
st
走 lo g ie ;
‚
c
玫 为 时钟 信 号
中值 和 最 小 值 输 出
7 二D 】
【
三 点 比 较 器模 块 图
g ic
- l 1 6 4 al l:
e
r
a
。
第
3
lib r
a ry ie e e :
ie e e
比较 后 的 结 果
} 进行第 三 级 比较
b
据
存
饭
分 别 为 最 大值
!
…
e
‚
‚
数
、
.e
l
r
护
s
L
s
u
‚
‚
一S
n
图4
为三 点数据 输 入 C L K
进行 两 点 比 较
:
C D
‚
c
三 点 比较器流 水 线 实现 图
为 三 点 比 较器 模块 图
为 复位信 号
较器 的 V
.
、
较 小 的值 为 中值 m ed
‚
据
存
坦
图4
b
第
级
数
.
级
比
较
b
、
较 大 的值 再 与 m ax {a
1
1
、
a
a
b} 和
第 二 级 比较 是对 m in 毛
第
第
a
。
。
‚
三点比
基于 即 G
‚
m in m
e
d 皿a
x
: o
t
u
st
eo
m P
are
3:
n d e in t
e
yi
田弋 址 te c n i
r e
si
r
gn al
be
e ess e
( lk
feom P
‚
l
x
a
m
‚
n
v e c to r
五n
2
‚
rsi
n
’
=
‚
0 t
h
‚
m a
x Z :s t
)
en
e
。
= ( 伍 rs =
<
>
l
o
<= ( th
r2
m in l
‚
0 );
‚
‚
0 );
=>
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o
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e
s
r
0
‚
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‚
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o
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‚
‚
>
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m a
x Z
e ls if
s
r
o
<= ( th
m a
x l
m ln Z
e
‚
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‚
‚
0 );
‚
‚
0 );
i sn
r
i g- e dge (
c Ik
) th
if
( a < b ) th
a
m i
n l<
=
en
e n
;m
ax
l
<=
b;
e ls e
m i
n l<
en
r
=
b ;m a
x l<
=
a
;
d if
;
l<
;
=c
if
r l < m in l )
(
m in
Z
< = T
n
e
h
t
l ;m a
x Z < 刁n in l ;
e se
l
m a
x Z<
en
d if
;
2
r
< =
= T
<
l ;而n
2
en
< = rZ
=
m a
x
e
1S e
月n in l ;
m a
x l;
if
( m ax 2 <r 2 ) th
;m
e
d<
m a
x Z ;m in
< =
(7 d o w ni
o
o )):
c-
yec
t
3 15
e
r
a
gin
if rs i
n
r
‚
i cg
的 图像 处 理算 法 的 研究 与硬 件设 计
n
i
g
Pr
o
e
b
‚
o
e ha
b
v
l r
2 m jn l
lo
d
A
m in
Z ;
l
d
o
gi
o
叹7 d o 认叽t0
0)
基于 F
P
m a
x
< 祠m 田口 ;m e
en
d if
;
en
d if
;
en
d Pr
o
en
d
ee ss
= r Z ;m
ln
<
的 图像 处 理算法 的研究与 硬件 设计
气吐n
2
:
;
;
be h av
图
d<
G A
.
4 16
为 三 点 比较器 仿 真 图
的延 迟 完成 了三 点 比 较 的功 能
.
图 4 16
‚
。
如 图所 示
‚
一 列 数据
输 出 了 最 小 值 m in
、
a
、
b
、
c
经 过 2 个周 期
中值 m ed 和 最 大值 m ax
三 点 比较 器 模 块 仿 真 波 形 图
在 实 现 了 三 点 比 较 器 的 基 础 上 实 现 快 速 中值 滤 波 功 能 非 常 方 便
:
‚
种 一 使用
s
o
娜b l ilF
es
V H D L
for
c
r
u
i
n
Fil
TL
e ”
选项
‚
级 电路 也 一 致
.
图 4 17
将 三 点 比 较 器包装 元件入 库
。
两种 方 法都 比 较 简捷
e
然后 在原理 图
经 过对 比
‚
两种
快速 中值 滤 波 算 法 模 块顶 层 硬 件 图
.
个三 点 比 较 器 模 块 组 成
‚
‚
Cr
e at
。
图 4 17 为快 速 中值 滤 波算 法 模 块 的 顶 层 硬 件 图
7
方法有两
‚
法 设 计 地层 结 构 中直接 调 用 该元件模 块
方法经 综合 后 的 R
‚
“
;
中 的 元 件 例 化 语句 进 行 设计 二 使用 Q u ar tu sl l 中 的
e
。
。
。
快速 中值滤 波 算 法 模 块 由
所 有 的三 点 比 较器模 块 的 时钟 输 入 信 号 都 和 全 局 时 钟
G A
基于 F
P
信号 C
m a
x
、
LK
相连
、
m e
d
‚
的图像 处 理算法 的 研 究与 硬 件 设 计
复位 信 号 也 与 全 局 复位信 号
‚
n
而 按 照 算 法 的流程 和 要 求
R ST
相连
。
三 点 比较 器 输 出信 号
分 别 和 下 一 级三 点 比 较器 所对应 的信
‚
。
号 输 入端 相连 按 照 前文提 出的快 速 中值算 法 第 一 级 的 3 个 比 较 器 完 成对 窗中
9
‚
个像 素 值 分成三组进行 列 排序 第 二 级 的 3 个 比 较器 完 成对列 排序 后 的 行排 序
第 三级 的
1
3
个 比 较 器 完 成对 角 线 上
。
。
个像 素取 中值 输 出 由于 比 较 器 进行 的运 算
‚
‚
次数繁 多 为 了 避 免 可 能产 生 的 逻 辑混 乱 的 情 况 发 生 可 以考虑在 各 级 三 点 比 较
器 间加入 一 些 寄存 器
。
.
快 速 中值滤 波算 法 模 块 的仿 真 波 形 如 图 4 18 所 示
.
图 4 18
. 4
4
‚
快 速 中值 滤 波算 法 模 块 仿 真 波 形 图
顺 序 滤波 的硬件 实现
顺序 滤波器 ( R na
器
。
k O
r
e
d
r
Fi
r
e
t
l
可 以 实 现 最 大值 滤 波 ( o ul e 二 )
9
波 ( 。rd e 二 l)
等任 意 数 量级 的 滤 波
可 实现 中值 滤 波
‚
) 是 在 图像 处 理 中广 泛 运 用 的 一 种 图像 滤 波
、
、
e 厂8
)
第 二 最 大 值滤波 ( or d
特别 的
‚
当 取 。dr e 二 5 输 出 时
‚
最 小值 滤
顺序 滤波 器
。
‚
在 软 件 上 实现 顺 序 滤 波算法 比 较简 单 但 在 硬件 上 实现顺 序滤 波算 法 则需 要
‚
‚
考 虑 滤波器 将 可 能 占用 的 系统 资 源 比 例 所 以 从 理 论 上 来 说 应 该 尽 量 使 用 更 少
‚
的 寄存器 和 比 较 器 尽 可 能 在 得 到 正 确 输 出 的 同 时 减 少 运 算 量
计顶 层 结构 可 以参看 图
.
4 1
‚
。
滤波 器 的硬 件 设
在 顺 序 滤波 的 硬件 设 计 中只 需 将顺 序 滤 波算 法 模块
。
替 代 算法模 块 来构 成 整 个 硬 件系 统就 可 实现 顺 序 滤 波 功 能 本 文 设 计 的顺 序 滤 波
.
算 法流 程 如 图 4 1 09
GA
基 于F
P
甘1
节1
1
2
百1
的图像 处理 算法 的研 究 与硬 件 设计
份2
3
F l阳
e
‚
r
川
!
r
吸已1
:
33
r
61
r
71
r
81
r
91
r
51
1
92
r
21
r
31
r
43
4 已3
r
53
r
54
r
55
r
56
r
57
r
r
63
r
64
r
65
r
66
r
67
r
73
r
74
r
75
r
76
r
77
r
84
r
85
r
86
r
87
r
95
r
96
r
97
62
r
83
r
93
r
94
r
102
s
吸2
52
分
72
r
r
1
一1
4b l
r
2
s
s
3
.
图 4 19
‚
W
21
r
据输 出
2
巨F0 到
41
s
节3
31
‚1
吸b ]
‚
W
23
l一
r
如 图所示
W
2
ll
e
r
百2
1
最 上层 为 3 x
3
4
’
r
12石
s
5
s
s
6
7
s
8
s
9
顺 序 滤波算 法 流 程 图
窗 生 成 模块
I F O 为先 进 先 出存 储 器
F
1U
‚
c
‚
w l l一 w 3
为 比较 器
‚
R
和
为 33
x
r
窗 中的
均 为 寄存 器
。
9
个像 素 数
在 本文 设 计
基于 .
‚G
I
F
A
的 图像处理 算法 的研 究 与硬 件 设 计
‚
的顺 序 滤 波 算 法 中 先将 9 个 像 素 中 的 前 8 个 像 素 值 分成 四组
‚
‚
2
个像 素 一 组 进
‚
行 比 较 像 素 值 较 小 的 放在左边 的 计 算 单 元 像素 值 较大 的放在 右 边 的计 算 单元
6
经过
级 的交替 比较后
‚
得 出前
8
‚
9
个像 素值 的大 小 顺 序 然 后 将第
个像 素值 和
‚
前 8 个像 素 值 中 的最 小值 进行 比较 较 小 的像 素 值 即为所 有 9 个 像 素 中的最 小 值
‚
较大值 再 与后 一 个像 素 也 即 前
较 小 值 即 为所 有
较
。
以此 类 推
‚
9
8
‚
‚
较 大 值 再 与后 面 的 像 素值进行 比
经 过 了 14 级 寄存 和 比 较 运 算后
素 值 从 小 到 大 的顺序从左 到 右 输 出 5 1 一5 9 这
9
‚
整个 顺 序 滤 波算法 完 成
个排序 后 的像 素 值数 据
该 算法在硬件 上 实现 需 要使用 较 多 的寄存器 和 比 较器 资源
描 述 语 言 中 的 i伪lse 语 句 可 以很方 便 地 描 述 比 较 运 算
顺序 滤 波 模 块 如 图 4. 2
0 所示
R ST
n
输入
‚
为 复位 端
D V w
有效 标 志 位
数据 的 宽度
为
8
。
‚
。
‚
v w ld th
‚
‚
‚
按像
。
用 V H D L 硬件
。
顺 序 滤波算 法 模 块
。
其 中 Cl
直 接 与 全 局 复位 信 号
为 输 入 有 效标 志 位
‚
个像 素 中 的 第 二 最 小 像 素 值 进 行 比 较 得 出 的
个 像素 的第 二 像 素 最 小 值
图 4. 2 0
。
R ST
5 1一 5 9
是 类 属 ( G ne r
ie c)
k
‚
相连 ; w n
~
‚
与 全 局 时钟 信 号 相 连 ;
w 33
为
9
为排 序 后 的 有 效 输 出 数 据
参量
由于 本 文 处 理 的 是 2 5 6
x 25 6 x8 bi
根据 所 处 理 图 像 的 灰度 级 不 同
为 时钟 信 号
t
‚
个像 素 值数 据
‚
D V
s
为输 出
在 设 计 中表 示 输入 和 输 出 像 素 值
‚
灰 度 图 像 的缘 故 在 这 里 设 v w id th
可 以任 意 调 整
vw
记t
h
的值
。
基于
FP G A
.
的 图 像 处 理 算 法 的研 究 与硬 件 设 计
图 4 2 1 为 顺 序 滤 波 的 仿真波 形 图
在 14 个 时钟 周 期 的 延 迟 后
‚
图 4.
22
o
所示
了亮 点 的 区 域
取 o dr e 二 8
‚
L
‚
‚
经 过 顺 序 滤波 处 理 后 的 图 像 ( or de r= 8)
图
. 22
4
‚
。
顺序滤波处理 图
如
比 原 图 像扩 大
(B ) 顺 序 滤 波 处 理 图
原图
。
可 以更 明 显 地 看 出顺 序 滤 波 效 果
因 此 看起 来 比 原 图像 更 亮 一 些
e n a
‚
顺 序 滤 波模 块 的仿 真波 形 图
de 1S im 和 M a
l ab 混 合 仿 真 法
t
‚
(A )
由 于 该顺 序 滤 波算 法 采 用 了流 水 线 设 计
在每 个 时钟 周 期 内 系统 开 始 产 生 有效 数 据 输 出
图 4. 21
使用 M
。
‚
o r
d e r= 8
_
基于 F
P
. 5
4
G A
的图像 处理 算法 的 研 究 与硬 件 设计
灰度 形 态 学 算 法 的硬 件 实现
‚
。
形 态学 中最 基 本 的 运算 处 理是 腐 蚀 和 膨胀 如 第 三 章 所述 对 于 灰度 形 态 学
来说
‚
当选 用 3 x
3 大 小 的扁 平 结 构元 素操作 时
膨胀运 算 可 由最 大值滤 波 实现
‚
腐蚀运 算 可 由最 小 值滤波 实现
‚
。
。
最 大值 滤波器 和 最 小值 滤 波 器 都 可 以 由顺序 滤 波器 实现 以 使 用 3 x3 方 形 窗
为例
‚
如 果 取 sl
腐 蚀运 算 ; 如 果 取
o rd
(
er=
)
l
59
o
(
rd e
为 最 终 输 出 数据
二9
)
‚
‚
便 构 成 了最 小 值滤波器
为 最 终输 出 数 据
‚
实现 了
便构 成 了 最 大 值 滤 波 器
‚
实
‚
。
现 了膨胀运算 因 此 灰 度 形 态 学 的 硬件 实现 可 建 立 在 顺 序 滤 波器 的硬 件 实现 的
基础 上
只 需 选择特 定 的 输 出 。dr
‚
从图
4
.
9
1
中可 以 看 出
‚
er
级数
‚
就 可 以 实现腐蚀 和 膨胀运 算
。
顺 序 滤 波 虽 然 可 实 现 最 大值 滤波 和 最 小 值滤 波
‚
但
‚
。
是 由于 它 同 时也 实现其 它 顺序 等 级 的 滤波 在 硬 件 上 对 于 实 现 灰 度 形 态 学 算法
‚
而 言 顺序滤波算 法 中部 分 比 较 运 算 是 不 必 要 的
对 于 最大 值滤 波 和 最 小 值 滤波 而 言
值
‚
‚
‚
浪 费 了 宝 贵 的 硬件 资源
。
因为
只 需 要 求 出 9 个像 素 值 中 的最 大值 和 最 小
而不 用 通 过 比 较 运 算求 出 其 他像 素 值 的 顺 序 等 级
。
‚
从 节 省硬件 资源 和 提 高 工 作 频 率 的 角 度 出 发 本 文 设 计 了简 洁 的 最 大值 滤 波
。
器 和 最 小 值滤 波算法 来 实现灰度 形态 学 运 算 在 第 三 章 快 速 中值 滤波算 法 的逻 辑
证 明中
‚
本文 已 经 提 出
:
3x
3
窗 中的 9 个像素 值 只 需 要 经 过 一 次列 排 序 ( 降序 )
和 一 次 行排序 ( 降序 ) 即 可 得 到 最 大 值 和 最 小 值 输 出
。
因此
‚
本 文 设 计 的最 大 值
‚
滤 波 器 和 最 小值滤波 器 就 是 基 于 三 点 比 较器 的 其 算 法 流 程类似 于 快 速 中值 滤 波
算法
‚
不 同 的是
:
一
‚
最大 值 滤 波 和 最 小 值滤波 只 需 要 两级 的三 点 比 较 器 比 较 运
‚
算 就 可 以输 出 最大 值或 者 最 小值 而快 速 中值 滤 波 需 要 三 级 的三 点 比 较 器 比较 运
算才 可 以得 到 中值输 出
;
二
‚
‚
两 类 算法在三 点 比 较 器 的 设 计有所 不 同 最 大值 滤
‚
波 器和 最 小 值滤 波器 中 的三 点 比 较 器 只 需 比 较求 出三 点 的最 大 值 或最 小 值 而 不
需 要 求 出 中值
‚
因 此 减 少 了运算 量
最大 值 滤波算法流程 如 图 4. 2
3
‚
为三 点 比 较单 元 它 可 由 比较 器
第一 级
‚
比较
a
和 b 的大 小
‚
这三 点 的最 大值
。
。
节 省 了硬 件 资源
w n
‚
。
3 为 3 x3 窗 中 的 9 个像素 值
~w
r
和 寄存器
较 小值放 左边
第 一 级 比较 后 的较大 值 的 大 小
c
c
‚
‚
‚
、
A
B
。
构 成 三 点 比较单 元 的工 作 原 理 是
较大 值 放 右 边
;
第二级
‚
第 二 级 比 较 后 较 大 的值作 为 输 出 数 据
在 最大 值 滤 波算 法 中
‚
‚
比较
即
a
c
、
:
和
b
、
先对 3 3
x 窗 中 的 9 个像 素 值 进 行 列 排
基于 F
P
G A
的图像 处 理 算法 的研 究 与硬件 设 计
‚
‚
序 然 后 把 比 较 后 的 3 列 中 的 3 个 最 大 值 进行 比较排 序 将 比较 后 的最 大值 做 为
输 出信 号
‚
即 可 实现 最 大 值 滤波
。
b
1
c
I
A3
A2
万
乌
互a
功 日x
三点比较单 元
x
.
图 4 23
最 大 值 滤 波 算 法流程 图
‚
。
最 小 值 滤 波 算 法类 似 于 最大 值 滤波算法 如 图 4. 加 先 对 3 3
x 窗 中的 9 个像
‚
素 值 进 行 列排 序 然 后 把 比 较 后 的
最 小 值做 为输 出信 号
‚1
l w 2 1w 3 1
‚
份
3
列的
3
即 可 实现 最 小 值 滤 波
12 w 2 2 w 3 2
毋 1 3 份2
‚
个 最 小 值进 行 比 较 排 序 将 比 较 后 的
。
3 w 33
a
A1
图 4. 2 4
l ln
I
e
三点比较单元
8
次 比 较运算 即 可 得 到有
运 算 量远 远 少 于 使 用 顺 序滤 波 器 来 实 现 最 大 值 滤波 ( or de 二 9
)
值 滤 波 ( o rd
二1)
更 少逻 辑 资源
图 4.
l
最 小 值滤波 算 法 流 程 图
本 文 设 计 最 大 值 滤波 和 最 小 值 滤波算 法 都 只 需 要
‚
}
A2
班i n
效输 出
} b
}
25
‚
。
所以
‚
最 大值滤 波 和 最 小值滤 波 在
FPG A
并 能达 到 更 高 的工 作 频率 和 图像 处 理 速度
和最小
硬件 实现 上 将 占用
。
和 图 4. 2
6 为最 大 值 滤 波 和 最 小 值 滤 波 的仿 真 波 形 图
‚
它只 需 要
3
个
基于
FPG A
的 图像 处 理 算 法 的 研究 与硬 件 设 计
时钟 周 期 的延迟 即 可 得 到有效输 出
的 延迟
‚
远 远 小 于 顺 序 滤 波 所 需 要 的 41 个 时钟 周 期
。
图4
.
25
最 大值 滤 波 仿 真 波形 图
图 4. 2 6
最 小 值 滤波 仿 真波 形 图
在 实现 了 腐 蚀运 算 和 膨 胀运 算 的 基础 上
以及 多次 开 运算
、
‚
可 以 很 容 易 实 现 开 运 算 和 闭运 算
多次 闭 运算 和 任 意 组 合 形 态 学运 算
定 义 为对 一 幅 图 像 先 进 行 腐 蚀 运算
‚
D}
.
匾
10
甲月
·。 !
一
·
竺
卜
巨
o
1一 !
司
图 4. 2 7
以 开 运 算 为例
‚
再 对 腐 蚀 后 的 图 像 进 行膨胀 运 算
一
·
·
。
‚。
.
”
I 可‚
O
v闷 l
0
’
‚
它 的数 学
。
·
}!
D
v O
D
o
峨
以
附口 0 】
一
开 运 算顶 层 模块 图
开 运 算 顶 层 模块 如 图 4. 2 7 所 示
。
调 用 己 经 设计 完 成 的 腐蚀模 块 ( 最 小 值 滤
基于 f P G
A
的 图像处理 算 法 的 研 究 与硬 件 设计
波 器 ) 和 膨胀 模块 ( 最 大值 滤 波 器 )
复位信号 R
连
‚
块 的输 入 端
‚
将 两 模块 的
R ST
n
和 C 玫 信 号 分 别 与全 局
‚
和 全 局 时钟 信 号 C
l k in 相 连 输 入信 号 D in 与腐 蚀 模 块 的输 入 端 相
ST
输 出信 号
‚
D
。
吻ut
与膨胀 模 块 的输 出端 相 连
就构成 了开 运 算模 块
‚
腐 蚀模 块 的输 出端连 接 膨胀 模
。
‚
‚
同 样 的 可 以利用 底 层 的膨胀 运 算模块 和 腐蚀运算 模 块 组 成 闭运 算 模 块
实
‚
。
现灰度 形 态学 中的 闭运算 此 外 利 用 开 运 算模 块 和 闭 运算 模 块 可 以完 成 不 同 的
形态 学组合运 算
. 6
4
‚
设计方 法类 似 于 开 运算
‚
在 这 里 不 再 赘述
。
卷 积 运算 的硬 件 实 现
‚
卷 积 模 板操 作 实 现 的是 一 种 邻域运 算 即 某个像 素 点 的结果 不 仅 和 本像素 灰
‚
。
度有 关 而 且和 其 邻域 点 的值 有 关 前 文 介 绍 的 卷积 运 算 是 将 中心 位 置 的像 素 和
其邻域 的像 素 与其 对 应 的 模 板 系 数 相 乘之 后 的 总 和
和
‚
‚
再 除 以所有 的 模 板 系数之
其 运 算 结果作为 输 出 像 素 值 来 取 代 原 中心 位 置 的 像 素 值
卷积 运 算 是 一 项 非 常 耗 时 的运算
9
操作需 要
次乘法 运算
小 的灰度 图 像来 说
‚
相 对 于 较 大 图 像 来说
、
8
共需要
‚
。
以 3x
3 模 板 为例
次加 法运算 和
9
1
‚
次 除法 运 算
犷 次乘法 运 算
‚
8
。
每个像 素 完 成 一 次 模板
。
对于 处理一 幅
运 用 软 件算法来 处 理 图 像
‚
由 于 运算 量 大
‚
‚
。
能 够 大 大提 高 图 像 处理 速度
‚
n
x
大
矿 次 加 法运算 和 矿 次 除 法运算
往往跟 不上 要 求 不 能 满足 图像 处理 的 实 时 性 和 处 理速 度 采 用
卷积 运 算
n
满 足 实 时性 要 求
‚
。
所 以 处理 速度
FPG A
硬 件 实现
。
‚
‚
对 于 F P G A 硬 件 而 言 实现 卷积 运 算 比 实现 中值 滤 波 等 算法 更加 困难 这 是
因 为 卷 积运 算 比 中值 滤 波等算 法更 加 复 杂
。
在 中值 滤波
、
‚
顺 序 滤 波 等算法 中 只
‚
需 要 对 3 3x 窗 中像 素进 行 比 较 排 序运算 ; 而 在 卷 积 运 算 中 包 含 了 加法
除 法 等运 算
‚
需 要 运 用 加 法器
、
‚
法 器 和 除法 器 在 F P G
[s5]
。
因此
分母 来 说
。
‚
‚
A
‚
‚
由于 加 法器
、
乘法器 和 除 法 器 的大 量 使用
因 而 可 能影 响到 整 个 系 统 的 处 理 速 度
。
‚
。
卷
特别是 乘
中实现 乘法 和 除法 运 算都 非常 占用 系 统 资源 且 速 度较慢
本 设 计 使 用 的是 移位 寄存 器来 实现 除法 器 的功 能
相 当 于 输 出 右 移两位 ; 对 于 系数 为
‚
乘法和
乘法器 和 除 法 器等运算 电路 模 块 来 得 到 输 出
从 芯 片 资 源 占用 的 角 度来 说
积运 算将 占用 大 量 的 芯 片资 源
、
位 需 要 注 意 的 是 分母 也 就 是 除 数 必 须 是
2
8
的分母 来 说
‚
。
对 于 系数 为
4
的
相 当 于 输 出右 移 三
的整 次 幂 才 能 使 用 移位 寄存 器来 实
基于 F
l‚ G
A
的 图像 处 理 算 法 的研究 与硬 件 设 计
‚
。
‚
现 除法 功 能 在本 设 计 中 为 了简 化卷积运 算 在 硬 件 上 的 实现 所 有 的 输 出均 除
以8
‚
即 经移位 寄 存 器 右 移 三 位 后得 到有效输 出
图 4.
28
为卷积 运 算 的算 法 流 程 图
‚
‚
D
。
为 输 入 图 像 数据
‚
形 窗 的 输 出 lk k
~ 9 为卷 积 模 板 系数 m 表 示 乘法器
器
。
w l
~
w 33
这 9 个 像素 经 过 了
右 移 完 成 除法运 算 后
‚
5
28
a
D O U T
、
除法器等
。
入 时钟 信 号
e s
r
u it
‚
‚
r
表 示 寄存
再经 移位 寄存 器
。
卷积 运算算 法 流 程 图
‚
主 要 包 括加法 器
下 面 介 绍 一 下 设计 中 需 要 用 到 的运算 电路 模块
加 法器 模块 如 图 4. 2
9 所示
‚
‚
为 3x
3 方
3
~w
表示加法器
卷 积运算 的硬 件设 计 电路 中包 含 着 大 量 的运 算 电 路 模 块
乘法 器
w l
级 的乘 法 和 加法 运算 处理
最 终得 到 输 出信 号
图 4.
‚
‚
其 中 d a ta a
、
为加法 运 算后 的 输 出数 据
处 理 图 像 灰 度级不 同 而进 行 必 要 的 修 改
。
d at
‚
b 表 示 输 入 的数 据
a
数 据 宽度 为
8
‚
、
。
‚
d o
c k
为输
数值 宽度 可 根 据
基 于王 P G
一‘
’ ‘ ’
{
”
A
”
的图像 处 理 算 法的研究与硬 件 设计
一 一
币而j d
心
”
山
日
.
.
图 4. 2 9
’
‘
”
’
一 一
廿‚
!
..
.
U 1
n
口
e SU
“
加 法器 模 块
‚
。
在卷积 运算 中 乘法器 和 除法 器 也 是 必 不可 少的 对简 单 的 乘法 器 ( 或 除 法
器)
‚
比如 乘 ( 或 除 ) 以 2 的 n (
n 为 自然 数 ) 次幂 的计 算
‚
采 用 移 位 寄存 器 的左
移 ( 或右 移 ) 实 现 乘法 器 ( 或 除 法器 ) 功 能 比 直 接 调用 乘法器或 除法器
单 元 模块 的计 算速度 要 快
‚
也 更 加 节 省 系 统 资源
LPM
宏
。
‚
。
‚
移 位 寄存器 模 块如 图 4. 3
0 所 示 其 中 c 攻 为 时 钟 信 号 d in 为 输 入 信 号 d
o ut
‚
。
‚
。
为 输 出 信 号 该 模 块 实现 输 出右 移 三 位 也 就 是 输 出 除 8 的 功 能 需 要 指 出 的是
‚
利用移 位 寄存 器 实现 除法 功 能 时 忽 略 了 尾 数三位 对 精度 的影 响
据右 移三位 后
‚
其 原低三 位 成 为 小数
‚
‚
利 用 移 位 寄 存 器来实现 除法器
实 际 上一 个 数
忽 略尾数 三 位 对 于 输 出 精度 的 影 响 很 小
因 此 采 用 移 位 寄存 器 来 实现 除 法 器 是 可行 的
行 运算
。
‚
。
同时
‚
比 起 直接 调 用 除 法 器模块进
不 仅 可 降低 系 统 的资 源
‚
还 能大 大 的提
‚
。
高 系 统 的 效 率 和 性 能 类似 的 可 以利 用 移位 寄存 器左 移 实现 乘积 系 数 为
数 次 幂 的 乘法运算
‚
2
的整
。
S
h if d 汾id e
C
17 二 0 】
d D u t【
Ik
d in
20
【
图 4. 3 0
二
0】
移 位 寄存 器 模 块
对 于 乘 积 系数 不 为 2 的 整 数 次幂 的乘法 运算
‚
不 能通 过移 位 寄 存器 来完 成
而 直 接 调 用 乘 法 器 L M P 宏 单 元 模 块 又 将 占用 大 量 的 系统 资源
‚
‚
。
基于
FPG A
‚
查找
表 的特 点和 移 位 寄存 器 的特 点 从 优 化 系 统 资源 的 角 度 出 发 本文 采 用 了树 型 移
位 相 加 乘 法 器 [’5 ][3 6 ]
。
其算 法 流程 图如 图 4
.
3 一所 示
。
基于 F
P
G A
的图像处 理 算法 的研究 与硬 件 设计
加
法
加
器
法
·
器
加
法
器
.
·
- - 习
加
法
器
加
法
·
图 4. 31
:
*
乘 数 b 可表 示 为 b
= b7
树 型 移 位 相 加乘 法 流 程 图
27
6* 26
+b
+
…+ bZ * 22
.
示 8 位二进制数 b [
7. 01 的最 高位 到最低 位
乘 可表 示 为
:
*
厂a b
=
a *
b 7 * 12 8 +
a *
‚
b( i
)为
1
‚
乘法器来 说
则 对应 于
后 即 可 得到输 出
。
i
‚
。
8
a *
+
‚
因此
b 6* 64+ …+
如 图 树 型 移位 相 加 乘 法 器先将
于 每个 s xl
器
‚
b l* 2 + b o
两 个 8 位 二 进制 数
bZ * 4+
a *
b l* 2 +
位乘 法 器 y
= a* b 分 成
首先 判 断 b
( i
) 的值
‚
于7
=
i
‚
的值 做 相 应 的 移位 然 后 将
其 中 b 7~
b
‚
a *
8
a
0
分 别表
和 b 的相
bo
。
个 s lx 乘法 器 对
若b
( i) 为
o
‚
输 出为
‚
‚
=
A
<
<4
+
A
《3
+
<
A
<2
+
;
若
个 s lx 乘法 器 的 输 出 结果相加
8
以 乘积 系数 31 为例 31 用 二 进 制数可表 示 为 3 1 = 1 1 1 1 1 2
*
乘 以 31 时 可 表 示 为 A 13
0
A
<
+
l
<
‚
当A
‚ 其 中< < 表 示 左移位 数
A
。
‚
由于 该 算法 中的 s x
l 乘法器 实 际 上 是 由移 位 寄 存器 来 实现 的 而 且它 采 用 流 水线
结 构 并 行 处理
‚
因 此 树 型 移位 相 加乘法器 能在 一 个 时钟 周 期 内完 成两数相 乘
。
‚
‚
在 设计 中特 别需要注 意 的 一 个 问题 是 卷 积 模 板 中 的 系数 常常 会 为 负数 如
.
图3 6
。
因此
‚
对 于 有 负 数 加 权 系数 的模 板 来说
‚
使用
V H D L
卷积 运 算 时 必 须将 模 板 系数 设 置 成 有 符 号 数 据 类 型 ( S IG
数据类 型 表 示 一 个有 符 号 的 数 值
‚
其 最 高位 为 符 号位
综合器 在综合 时候将其解释 为补码
S IG N E D
‚
“
”
( 1 0 1 1 )表 示 5
一
。
例如
‚
O
硬件 描 述语 言设 计
N ED T
E )
YP
表示正数
s IG N E n
’
0 10 1 ”
。。
(
‚
1
。
S IG N E D
表 示 负数
)表 示 +
5
‚
而
。
图 4. 3 2 为卷 积运算 仿 真波 形 图
。
经过
6
个 时钟 周 期 的延 迟
‚
‚
得 到 了 有 效输
基 于 F P G A 的 图 像 处 理 算 法 的研 究 与 硬 件 设 计
出信 号 d
o ut
。
所 选 的用 于 算 法 处 理 的 卷 积 模 板 为 图
板常 用 于 图像平 滑 和 去 除 噪 声
图 4.
对于 5x
5 卷积 模板运算
用 5x
5 窗模 块
‚
中的模 板
L
。
e n a
FPG A
K l
‚
该卷积模
。
32
卷 积 运 算 仿真波 形 图
同 样 可 以在 F P G
A
硬 件 上 实现
‚
不 同 的是 它 需 要 使
并 且 需 要 更 多 的加 法 器 和 乘 法 器 等运 算 电路 模 块
用 更 多 的芯 片 资 源
(A )
‚
.
3 6
‚
因此它 也将 占
硬 件 实现 的 3 3
x 卷积 运算 的处 理 效果如 图
原图
(B ) 卷积运 算 图
图 4. 3 3
卷积运算处理 图
‚
4
.
3
模板
。
K l
基于 F P G
. 7
4
A
的图像 处 理 算 法 的 研 究 与硬 件设计
高斯 滤 波 的硬件实现
。
本文 在第三章 中 已 经 详 细 讨 论 了 高斯 滤 波 算 法及 其模板特 点 高斯 滤 波 实际
‚
x 方 形 窗进行 卷 积 求 和 运算 即 将 某个 像 素 点 以其邻域 的 8 个 像
上就是近 似 对 3 3
素点与加 权 系 数 进 行卷积求 和
对于 图 3
.
8
‚
‚
中的 3 x
3 模板 来 说 每 个 系数 刚好 都 是 2 的 整 数次幂 且 所 有 加
16
权 系数之 和 为
。
。
在此模板 实现 卷积运 算 中可 以使 用运 算 电路 模 块 中 的移 位 寄
存 器 来 实现其 中 的乘法运 算 和 除法运 算
。
例如
‚
进行 乘 积 系 数 为
相 当于 移位 寄存器 左 移 一 位 ; 进行 除法系数 为 16 的 除法 运 算
‚
2
的 乘 法 运算
‚
相 当 于 移位 寄存
‚
。
器 右 移 四位 针 对 3 x3 模 板 相 比 于 直 接使 用 乘法 器 和 除法器 来 实现算 法 中 的 乘
‚
法 和 除法 运算来 说 利用 移 位 寄存 器 来 实现 其 中 的乘法 和 除法 运 算 可 以 明显 的提
高 设 计 效率
、
节省 芯 片 资源
模板系数 是对称 的
‚
‚
并 且 提 高 图 像 数据 的 处理 速 度
。
由于 高 斯 滤 波 中的
在 设计 中还 可 以对 乘法器等运 算 电路 模块进行 模 块 复 用
。
‚
在前文 已 经 实 现 卷积运 算 的基 础 上 实 现 高斯滤波算 法 并 不 困难 虽 然 两 者在
硬件 结构 上 有 所 差 异
‚
但两 者在 算法 上类似
‚
实 际 上 都是 一 种模块 运 算
‚
因此只
。
需 要 对卷积 运 算 的硬件 设计 做 一 些 必 要 的改 动 就 可 实现 高 斯 滤 波 算 法 在 本 设计
‚
中 两 个算法 的在硬 件 实现 主 要 有 两 点 不 同 之 处
于 模 板 系数 和 除法 系 数 的不 同
‚
:
一
‚
信 号 宽度 的定 义 不 同
。
由
导 致 移 位 寄存 器 的 左 ( 右 ) 移 位 数 和 输 出信 号 宽
‚
‚
度 的 不 同 所 以要 注 意 正 确 地 定 义 信 号 宽度 信 号 宽度 的 定 义 错 误 将 导 致逻 辑 混
乱 和 数据 溢 出
。
二
‚
在卷积运算 的 实现 中
硬 件 上 实现卷 积 运 算
‚
‚
为 构成 2 的整 数 次幂
本 设计 将 所 有 的输 出 除 以 8
不 仅提高硬 件 的执 行 效 率
‚
同 时 也 节 约 硬 件 资源
。
‚
‚
也 即右 移 三 位后 输 出
这 是 个近 似 算 法
‚
FPG A
便于在
‚
‚
这样
其 输 出 数据
。
实 际 上 是 个近似输 出 但 它 和 理 论 输 出 在 处 理 效 果上 几 乎 没 有 区 别 在 高 斯滤 波
‚
‚
算 法 的 实现 中 由于 口 的取 值 不 同 不 同模 板 的加 权系数 和 除法 运 算系 数 也 不 同
。
移 位 寄存 器 的 使用 也就 不 同 有 些 除法 系数 不 能 构 成
硬 件 上 实现
‚
节 省 硬 件 资 源 和 提 高 处 理 速度
使 这 个数 可表 示 为 2 的 N 次 幂
x
3
3
‚
。
的整 数 次 幂
‚
‚
为 了便 于 在
可 以 将 原 除 数 系 数 近 似 为 某个数
如除法 系数 为 1 81 可 以近 似 为 12 8
模 板 的 高斯 滤 波 仿 真波 形 如 图 4. 34
高斯滤 波 后 的输 出 d o ut
‚
2
‚
‚
。
经 过 6 个 时钟 周 期 的延 迟 后
‚
得到
基于 r
PG A
的 图 像 处理算法 的研 究 与 硬 件 设 计
图 4. 3 4
. 8
4
性能 分 析
A lte r
a
本 设计 采 用
、
EA B
个
脚)
高斯 滤波 仿 真 波 形 图
‚
4992
最大 R
表
.
4 3
各算法 在
A
L
个
o
一
公 司 A C E X I K 系 列 的 E P IK 10 0 Q C Z O S 3 芯 片
g ie C
e
M 位 数 为 4 19 5
2
分别 从
FPG A
L
o
g ie C
e
ll
、
‚
M
、
e
m
o
汀 B its
占用 更 少 的 L o
g ic
c
l 和
e
。
可 以看 出
Re ig st
LC
理功 能节约 了 宝 贵 的 芯 片 资 源
速 中值 滤 波 的 设 计 是 成 功 的
顺 序滤波在
用情 况 为
和 12 %
:
22%
、
LC
Re
g is te r
硬 件实现 中的资 源 占用 情 况进 行 了 比 较
顺序 滤 波 ( 。ul e 二 5 )
FP G A
‚
。
P in
1/0
s
:
‚
一
、
和
F o P in
s
四 个 方面 对
。
传 统 中值滤 波
‚
12
。
‚
二
、
快 速 中值滤 波
快 速 中值 滤波 比 传 统 中值滤波
er 资源
它具有
( 用 户 输 入 /输 出引
典型 逻 辑 可 用 门 数 为 10 万 门
本 文 用 三 种 方法 实现 了 中值 滤波
三
和 一4 7 个
ll ( 逻 辑 单 元 )
‚
从 而 为在单片
FPG A
、
‚
顺 序滤 波
上 实现 其 他 处
‚
从 优 化 硬 件 资源 和 提高 处 理速 度 的 角度 而 言 快
它 同 时 也 是 三 种 中 值 滤波 方案 中 的 最 佳选 择
。
‚
硬 件 实现 中运 用 了 大 量 的 比 较 运 算 电路 它 的 芯 片资源 占
( 1 24 7 /
4 992 )
( 19 /1 4 7 ) 的 F O P in
s
。
的 L o g ie
C
e
ll
‚
8%
(4 0 9 6 /
4 9 15 2 ) 的 M
e
m
o
尽 B its
FP G A
基于
表
4. 3
L
的 图像 处理 算 法 的研究 与硬 件 设计
图像算 法硬 件 实 现 的 芯 片资源 占用 情况
o
g ie C e ll
M
e
m
o
ry B its
LC
r
g is t
o
Re
1/ 0 P in
传 统 中值 滤 波
102 0
40 96
74 0
l9
快 速 中值滤 波
9 52
4096
678
l9
顺 序 滤波
波
1 14 7
4096
829
19
9
胀
腐 蚀 /膨胀
666
4096
478
l9
9
开 运 算 / 闭运 算
12 2 0
8 192
898
19
9
卷积运算
730
4096
52 3
29
波
高斯 滤波
72 7
4096
52 0
28
s
虽 然 通 过 顺序滤波 能 够 实现腐 蚀 和 膨胀运算 以及 开 运 算 和 闭 运 算 等 灰度 形
‚
‚
态 学 算 法 但 本 文 从优化 硬 件 结构 的角度 出 发 设计 了 非 常 简 洁 的最 大值 滤 波和
。
最 小 值 滤 波算 法 使 用 最 大 值 滤 波 器 来 实现膨胀 运 算 和 使 用 最 小 值滤波值 滤 波器
来实现腐 蚀 运 算
‚
均 只 需 要 占用 13 %
( 6 6 6 /4 9 9
2 ) 的L
og
i。 c
‚
el
这远 远 少 于 利
(l 14 7/ 4 9 9
2 ) 的L
用 顺 序 滤 波 来 实 现膨 胀 或 腐 蚀运算所 需 要 的 2 %
og
‚
ic c
以看 出 本 文 设计 的最 大 值滤 波 和 最 小 值滤波算法大大节 约 了 芯 片 资 源
‚
。
el
可
为在 资
。
源 有 限 的 单片 F P G A 上 实现 复杂 的数 学 形态 学 算 法 提 供 了 保 障 实现 开 运 算 和 闭
运 算所 占用 的 资源 为
M
em
o
y B its 和 12 %
r
:
( 1 2 2 0 /4 9 9 2 ) 的 L o g ie e e ll
24%
( 1 9 / 14 7 ) 的 1/ 0 P in
在 卷积 运 算 的 F P G
A
s
‚
FPG A
17 0
‚ ( 5 1 9 2 /4 9 15 2 )
的
。
‚
‚
实现 中 本 文 从 节 约硬 件 资源 的 角度 出 发 采 用 了 移位
寄存 器 来 实现 除法运 算 和 部分乘 法 运 算 ( 系 数 为
计上 基 于
‚
2
的整 数 次幂 )
。
在 乘 法器 的设
‚
内部查 找表 结 构和 移 位 寄存 器 的特 点 采 用 了 树 型 移 位 相 加 乘
‚
法 结构 从 而 大大 的降低 了直 接使 用 除 法器 和 乘 法器 等 运 算 电 路 模 块所 需 要 占用
。
的芯 片 资源 相 比 于 进 行 了大 量 比 较 运算 的 中值 滤 波 和 顺 序 滤 波
了更 少 的 L o g ie C e ll 和 L e
R
e
g is te r
‚
但 占用 了更 多的 F o
实现 中的 芯 片 资源 占用 情 况 和 卷 积滤波 相 差 不 大
P in
s
。
‚
卷 积运 算 占用
高 斯 滤 波在 硬 件
。
本文 在设计 33
x 方 形 窗 生 成 模 块 中 采 用 了 两 个 FI
FO
实 现数 据 并 行 输 出
‚
由
FPG A
基于
于 待 处理 图像 为 2 5 6
x 2 5 6 x8 hi
宽度 为
8
‚
e
因此 M
o
m
s
t
ry B
i
腐 蚀 和 膨胀运 算 两 模块
‚
t
的 图像 处理 算法 的研 究 与硬件 设计
灰 度 图像
‚
。
均为 4
0 %
特别 的
公司 A C
Pet
n i
数 据 来源 于
4/
2
m
u
.
由于 开 运 算和 闭运 算 均 调 用 了
X
E
G
3
9
图像 进 行处理 的运行 时 间
表
IK
系列 的 E P
Hz
c Pu
2 56x
2
6 灰度 图像
5
一
IK 1 0 0 Q C Z o s 3
的 P c 机在 M a
tl ab
芯片
37
[
1
4. 4
H
In le r P e n
i iu
2930
235
4
‚
中可 以看 出 在 P
e ni
钟 频率为
在
FPG A
46
.
s
‚
而利用
12 M H
Z
‚
E P IK l o
处理一幅
4/
2
Qc
208 3
2 56x
2
Pc
.
m
u
i
93 G H
一
机的 c
y e lo
.
. 5
4
H
P el
t iu lll 4
.
4 5
中可 以 看 出
n e
z
;
‚
s
。
可见
‚
。
‚
如果
11 系 列 的 E P Z e 7 o F s 9 6 e s 芯 片
‚
处 理 图像 数据 信 息 也 更 快
H
z
‚
。
处 理 时 间 (m s)
)
.
46 25
1 4 17
7
2930
235
本 文提 出的 快 速 中值 滤 波在 硬 件 上 实现 所 能 到 达 的时
钟 频 率和 处 理 时间均 优 于 传 统 中值滤 波 在 硬件 上 的 实现
‚
波 算 法 的设 计 和 实 现是 可行 的 并 且 达 到 了 预 期 的 效 果
的最 大 时钟 频 率 为 4
6 2. 5 M
.
1 42
l m
对 于 硬 件上 的 实 现
.
一
E P 1K 1 0 0 Q C 2 0 8 3
从表
本文 的
快速 中值 滤波 的软硬 件实 现参数
时 钟频率 ( M
er
本文
的 P C 机 上 实 现 中值滤波 算 法 所
配 置 [3 81
中值滤 波 的 最 大 时钟 频 率 将 可 以达 到 95 53 M
In
i
‚
机 上 软 件法 实现 要 快 1 56 倍
Pu
公 司 的 高性 能 F P o A 器件 如 e
表
软 件上
‚
实现 中值滤 波算 法 所 能 达 到 的最 大 时
PC
‚
A lte a
r
z
6 的灰 度 图像仅 仅 需 要
5
硬 件 上 实现 中值 滤波 算 法 比 在
软 件上 的处 理 速度 取 决 于
采用
硬件 上
‚
l 42 1
需 时 间 为 2 53 m
。
。
处 理 时 间 ( m s)
z)
4 6 12
2
4
。
ry B i
s
t
中值 滤 波 的 软硬 件 实现 参 数
.
一
.
o
环 境下 对 2 5
6 x
2 56 灰 度
E P 1K 1 0 0 Q C 2 0 8 3
从表 4
m
。
时钟 频 率 ( M
rO
e
在 图像 处 理 中 的速 度优势 本文 对硬 件法 和 软 件
‚
era
输 入 和 输 出数 据
‚
FPG A
法 的图像 处理 时 间 进行 了 对 比 待 处理 图像 为
t
‚
‚
因 此 开 运 算 和 闭运 算 均 占用 了 8 1 9
2 个M
为 了 更加直 观 地 说 明
选用 的 是 A
l
深 度设 为 2 5
6
FI
F O
H
z
‚
处 理 时 间为
.
1 4
7 m
1
s
‚
。
。
‚
实践 证 明 快 速 中值滤
快 速 中值 滤 波 能 够 达 到
比 软 件 上 实现 快 1 6 倍
。
基于 F
P G
A
的 图像 处 理 算法 的 研 究与硬 件 设计
‚
快速 中值 滤 波相 比 于 传 统 中值滤波 在 F P G A 实现 上 占用 的资源 更 少 这 主 要
。
是 体 现在 其 算法 模块 比 后 者 所 占用 的 资源 大 为减 少 两 种 算法 要 实现 滤 波功 能除
‚
了算 法 模块都 还 需要 使 用 3 x
3 窗 生 成 模块 和 行列计 数 器 模 块 三 个 模 块 结 合起 来
‚
‚
才 能实现 顶层 的 中值滤 波 器 功 能 考 虑到 这些 因 素 快 速 中值 滤 波 所 能 到 达 最 大
‚
。
时钟 频率 和 传 统 中值 滤波 相 差 不 大 但 是 快 速 中值 滤 波 中 的算法 模 块 最 大 时钟
.
最 大 时钟频 率
z
H
频率 为 60 24 M
‚
‚
.
远 高 于 传统 中值 滤 波 中的算 法 模 块所 能 到达 的 51 18 M
因此 在 算 法 模 块 设计上
‚
H
z
的
。
快速 中值 滤 波 的 设 计 是成 功 的 最 为重
‚
要 的 一 点是 快速 中值滤 波 占用 的硬件 资源 比 起 传 统 中值 滤波 占用 的硬件 资源 有
了明显 的减 少
‚
可 为在单 片 F P G A 上 实现 其 他 功能预 留 资源
表
.
4 6
顺 序 滤 波 的 软硬件 实 现参数
时钟 频 率 ( M
H
z
处 理 时间 (m s)
)
.
一
.
E P 1K 10 0 Q C 2 0 8 3
46 08
1 4 22
In le r P e l
t iu
2930
235
rn
.
从表 4
.
率为 4 6
4
‚
6
中可 以看 出 在
‚
z
0 8M H
FPG A
.
硬件 上 实现 顺 序 滤 波 能 够 达 到 的最 大 时钟 频
处理 时 间为 l 4 2 2 m
表
. 7
4
s
‚
e r
P
en
tiu
rO
4
表
.
4 8
Pen
i iu
从表 4
.
1 41
5 m
s
.
‚
rn
.
4
7
.
H
2930
203
‚
。
开 运 算 和 闭运 算 的软 硬 件 实现 参数
H
z
处理 时 间 ( m
)
s
)
.
46 5 1
1 409
2930
297
和 表 4 8 中可 以看 出
z
倍
.
1 4 15
‚
在
FPG A
;
3 倍 在
速 度 比 软 件 上 实现 要 快 1 4
需要 4
6 51 M
16 5
处 理 时 间 ( m s)
)
.
一
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46 30
时钟 频 率 ( M
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速度 比 软 件 上 实现 要 快
腐 蚀 和 膨胀 运 算 的 软 硬件 实现参数
时钟 频 率 ( M
E P 1K 10 0 Q C 2 0 8 3
。
硬 件 上 实现 腐 蚀 和 膨胀 运 算 需 要
FPG A
速 度 比 软件 上 实 现 要 快 Z n 倍
。
硬 件 上 实现 开 运 算 和 闭运 算
可 以看 出
‚
利 用 本 文 设计 的最
基于 f
PGA
的 图像 处 理 算 法 的 研 究与硬 件设 计
大值 滤 波 和 最 小值 滤 波 比 利 用 顺序滤 波 来 实现 形态 学运 算 所能到达 的时钟频 率
更高
‚
相 应 的 图像 处 理 速度 更 快
表
4. 9
‚
卷 积运 算 的软硬 件 实现 参数
时钟 频 率 ( M H
z
处理 时 间 ( m s)
)
.
.
一
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时 钟频 率 ( M H
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处理 时 间 ( m s)
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为 4 .6
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4 9
3OM H
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4
。
所 占用 的 硬 件 资 源 也更 少
‚
.
和 表 4 10 中可 以看 出 卷积 运 算 在硬 件 上 能够 达 到 的 最 大 时钟 频 率
‚
.
处理 时间为 1 4 巧m
s
‚
;
比 其 在软 件 上 实 现 快 1 4
8 倍 高斯 滤 波在
.
硬 件 上 能够 达 到 的最 大 时 钟 频率 为 4
6 73 M h z
上 实现 快 1 5
6 倍
。
‚
处 理 时间 为
.
1 40
2 m
s
‚
比 其在 软 件
基于 F
P G
A
的图像 处 理 算 法 的 研 究 与硬 件设 计
第五 章
. 1
5
总 结与 展望
总结
。
本课题 是 江 西 特康科技有 限 公 司 的血 液 白细 胞 五 分 群检 测 的 子 研 究项 目 在
‚
本 课题 的 设 计 期 间 本 人积 累 了许 多 宝 贵 的 F P G
过对
FPG A
硬 件 知 识 以及
V H D L
A
硬 件 设计经 验
硬 件描 述 语 言 的 系统 学 习
‚
‚
。
获 益 非浅 通
FPG A
熟 练 掌握 了
‚
‚
开 发软件 的使 用 进 一 步 理解 和 掌握 F P G A 硬 件 设计 技 巧 完 成 了 各 种 的图像 处
理 算法 的 F P G
A
硬 件 设计
‚
并 作 出 了 相 关验 证
本 文 主 要 完 成 的 工 作如 下
1
、
结合 图像 算 法 的
:
FPG A
硬件 设计 的 特 点
对 图 像 处 理算 法 中 常 用 到 的方 形 窗 的特 点
2
、
利用
了 中值滤 波
、
A he
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公 司 开 发环 境 Q
顺 序滤 波
、
3
、
、
‚
、
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深 入 分析 了 图 像 处理 算法
ll 和 第 三 方 仿 真 软 件 M
、
‚
占用 硬 件 资源 较 少
‚
开 运 算 和 闭 运算
、
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而
A
‚
‚
。
完成
。
‚
该 算 法 在性 能 上 优
完 全 能 够 满 足 实 时 图 像 处 理 的要 求
采用流水线处理
总 结 了 各 种 图像 算 法 的 F P G
针
卷 积 运 算 和 高斯 滤
提 出 了 适合 在 硬 件 上 实现 的 最 大值 滤波 和 最 小 值 滤 波 的 改进 算 法
‚
。
提 出 了 滤 波 器 的总 体 硬 件 设计方 案
并 对 各 模 块进行 了 仿 真 和 验 证
法 从 优 化 硬件 资 源 的 角度着 手
5
‚
‚
提 出 了 一 种适 合在 硬 件 上 实 现 的 快速 中值滤波 算 法
于 传统 中值 滤 波 算 法
4
斑川t
u
腐 蚀 和 膨胀 运 算
波等 图像 算 法 的硬 件 设 计
。
大 大提 高 了工 作 频 率
硬 件 实现 的 芯 片 资 源 占用 情 况
‚
‚
。
该算
。
并对硬 件
。
上 和 软件 上 实现 图像 算法 处 理 所 需 要 的 时 间 进 行 了 比 较 通 过 对这 些 数 据 的深 入
分析
5. 2
‚
可 以看 出
、
FPG A
在 图 像 处 理 方 面 有着 无 可 比 拟 的速 度优势
。
展望
采用 F P G
广
‚
一
易 于实 现
‚
A
、
芯 片实 现 图像 处 理 功 能 构 成 硬 件 图像 处 理 器
成 本低 等特 点
‚
同 时使 系 统 设 计 具 有 小 型 化
‚
、
‚
不 仅 具 有适 用 面
集 成 化 而 且 实时性
能好 的特 点 便 于 进 一 步将 多功 能 的复杂 系 统集 成 在 一 片 硅 片 上 构 成
本设 计 采 用
V H D L
。
硬 件描述语 言来进行 模 块 设 计
‚
‚
SO C
实现
由于 模 块 的 可 复 用 性
。
‚
大 大 缩 短 了设计 周期 参 照 系 统 的硬 件 总 体 设 计 在 不 需 要 改变 3 x
3 方 形 窗模块
基于 f
PG A
和 行列 计数器 模 块 的 前提 下
种 不 同的 图像 算 法
‚
‚
的图像 处理 算 法 的研 究与 硬 件 设计
‚
只 需 要 改变其 中 的图像算 法 模 块 不 仅 可 以实 现 各
而 且 能 够 进 一 步推广 到 更 多 图像算 法 的硬 件 实现 中去
但 是 随 着待 处理 图像 的增 大
‚
大 尺 寸 的方 形 窗 如 5 5
x 和
7x 7
‚
x
3
3
方 形 窗将 无 法 满足 处 理 要 求
。
等 这样 的话
‚
‚
。
所 以需 要更
整 个 设 计 不 但 将耗 费更 多的硬 件
‚
‚
资源 而 且 必 须 重 新设计更 为适合在硬 件 实现 的图像 算法 而 算法 设 计和 实现 的
难 度 也 将大大 增加
资源
‚
。
另外
‚
可 以考 虑 将 F IF O 存 储 器 的功能 由 F P G
这样 不 仅 可 以节 省 更 多 的芯 片资源
‚
‚
‚
如 图 像采 集卡
、
个专 用 的 实 时 图 像 处理 系统
A
‚
心和
D
A
存 储 器 占用 了 较多 的芯 片 内部
芯 片外部 的 R A M 存储 器 实现
‚
同 时 可 以提 高 芯 片对 图像数据 的处理 速 度
此外 今 后 需要 进行 的主要 工 作 是 以 F P G
硬 件 电路
FO
本 设计 中采 用 的 FI
A
。
‚
图像 处 理 芯 片 为 核 心 构 建 芯 片外 围
A 转换器
/
、
PC
机 接 口 电路 等
并推 广 和 运 用 到 实 际 的 电子 产 品 中
。
‚
使 之成 为 一
A
基 于卫P G
的图像 处 理 算 法 的 研 究与 硬 件 设 计
参 考 文献
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刘路等
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2003
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子 工 业 出版 社
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基 于 下P G
A
的 图像 处理 算法 的 研究 与硬件 设计
附
录
中值 滤 波 顶 层 硬 件 图
基于下 P G
A
的图像 处 理算 法 的研 究 与硬 件 设 计
顺序滤 波 顶 层硬 件 图
基于 FP
G A
的图像处 理 算 法 的研究 与硬 件 设 计
卷积运 算 顶层 硬件 图
’
G A
基于 F
P
的图像 处理 算法 的研 究与硬件 设计
谢
致
在 本 论 文 完成 之 际
‚
在 此 向一 直 关 心
、
指 导 过我 的老师们 表 示 由衷 的感 谢
。
‚
导 师 虞 礼 贞 教授 不 仅 在 我 的 毕业 设 计 过程 中直 接给 予 了我学 术上 的 指 导 而 且 在
、
、
平 常 的工 作 中 以 自己 丰 富 的 实践 经 验 严 谨 的 治 学态度 饱 满 的工 作热 情 潜 移默
化 的 教育 了我
‚
在 我脑 海 里 留下 了深 刻 的 印 象
。
从师三 载
地 感 谢 导 师虞 礼 贞教授在 这 三 年 里 对 我 的 教导 和 培养
、
向 电子 学 院 的 刘 哗 老 师 吴 建 华 老 师
师
、
干 学 仁 老师
、
杨 伟 农 老师 等致 谢
‚
、
‚
终身受益
。
在 此 真诚
。
万 国金 老师
、
吴 毅 强 老师
、
感 谢他 们 辛勤 教 导和 无 私 奉 献
李迟 生老
。
‚
。
特 别 感 谢 舒 平 老师 在特 康 公 司 实 习 的 半 年 多 时 间 中 舒平 老 师 帮助 我 建 立
了正确 的
P
F
G A
概念 和 设 计 方法
感 谢室 友 胡建 平 和 陈 林
宝娟
、
吴志琼
、
‚
‚
并 在 设计 过 程 中给 予 了我 热 情 的 指 导
同 窗好 友 钱 峰
、
任重
、
周远
‚
、
曾萍萍
、
周
他 们 的友 谊 和
。
感 谢 父 母 长 久 以来 对 我 的鼓 励 和 支 持
‚
李 伟平
张 徐娟 等 以 及 师兄伍 家 满和 师 弟 刘 晓 江 和 吴 静进
热 情 留给 我 太 多 美好 而 快 乐 的记 忆
容
、
。
他 们 是 我 前 进 的动 力 和 幸 福 的 源 泉
‚
感谢 父 母 对 我学 习 生 活 的 理 解 和 宽
。
最 后 向所 有 关 心 和 帮助 过 我 的 人表 示 感 谢
。