基于Stratix II EP2S60的改进中值滤波器设计

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1 引言

??? 众所周知，在复杂背景条件下，要对弱小目标进行准确有效地红外跟踪、探测是一个难题。这种情况下，由于目标与背景的对比度较小、信噪比较低，若直接进行跟踪、探测往往比较困难，所以必须先对图像信号进行滤波预处理，以达到抑制背景噪声。增加目标强度，从而提高图像信噪比的目的，为后续工作打下良好的基础。

??? 实时图像处理器中，信号预处理包括对图像的各种滤波、直方图统计及均衡、图像增强、灰度变换等，它们共同的特点是处理数据量大，如果用一般的软件来实现势必会比较慢。而对于一些实时性要求比较高的系统，处理速度往往是要考虑的关键因素，一旦速度跟不上，实时性也无从谈起。针对图像预处理阶段运算结构比较简单的特点，用FPGA进行硬件实现无疑是理想的选择，这样同时兼顾了速度和灵活性，大大减轻了DSP的负担。

??? 本系统采用Verilog HDL语言。利用一种快速的中值滤波改进算法对电路进行设计，并以Altera公司生产的Stratix II EP2S60F67214型FPGA芯片为硬件平台。该器件继承了Altera公司Stratix II系列的共同优点，由于引入了崭新的自适应逻辑模块(ALM)，使得Stratix II有更高的性能和逻辑封装、更少的逻辑和布线级数以及更强的DSP支持，而Stratix II EP2S60F67214更是比Xilinx公司的类似器件Virtex-4XC4VLX60多出18％的器件逻辑，其中包括51 182个寄存器位，2 544 129个存储器位以及48 352个ALUT，该器件资源丰富，只需占用很小一部分实现中值滤波器，为后续设计的增长留有更多空间。
2 中值滤波的基本原理及改进算法
2．1中值滤波的基本原理

??? 中值滤波是由Tukey发明的一种非线性信号处理技术，早期用于一维信号处理，后来很快被用到二维数字图像平滑中，是一种有效抑制图像噪声，提高图像信噪比的非线性滤波技术。它是一种邻域运算，类似于卷积，但计算的不是加权求和，而是把邻域中的像素按灰度级进行排序，然后选择该组的中间值作为输出像素值。与均值滤波器以及其他线性滤波器相比，中值滤波器的突出特点是在很好地滤除脉冲噪声(Impulsive Noise)和椒盐噪声(Salt and Pepper Noise)的同时，还能够保护目标图像边缘轮廓的细凇Ｓ霉?奖硎疚??br>
g(x，y)=median{f(x-i,y-i)}，(i,j)∈S (1)

??? 式中g(x，y)，f(x,y)为像素灰度值，S为模板窗口。

??? 而中值滤波的具体实现过程一般为：

??? (1)选择一个(2n+1)×(2n+1)的滑动窗口(通常为3*3或者5*5)，使其沿图像数据的行或者列方向逐像素滑动(通常为从左至右，从上到下逐行移动)。

??? (2)每次滑动后，对窗口内的像素灰度值进行排序，用排序所得的中间值代替窗口中心位置像素的灰度值。
2．2中指滤波的改进算法

??? 中值滤波的算法很多，但通常数据排序量较大。需要消耗大量时间，不利于图像处理的实时性。本文采用一种窗口大小为3*3的快速排序算法。大大降低了排序量。

??? 为了便于说明。将3*3窗口内的各个像素分别定义为M11，M12，M13，M21，M22，M23，M31，M32，M33。像素排列如表1。


??? 由表2可见，该中值滤波设计的芯片资源占用率是非常小的，因此绝大部分资源可以用于后续的开发设计中。处理一场数据所需时间仅约为4．2 ms，完全满足整个系统对速度的高要求。而同样的3×3模板中值滤波若在ADI的TS201型DSP上处理，所需时间约为15．3 ms。显而易见，基于Stratix II EP2S60来实现红外图像的中值滤波比基于TS201来实现有更好的实时性优势，而且该设计使用了快速中值滤波算法，所以比传统算法节约了更多时间，资源占用率也非常小。输入、输出图像分别如图3、图4所示，由于本滤波模块把边缘置为0，所以图的边缘是一条黑线。对比前后图像可以看出中值滤波对椒盐噪声有很好的滤波作用。


5 结束语

??? 本设计方案采用了一种改进的快速中值滤波算法，成功地在Altera公司的高性能Stratix II EP2S60上实现整个数字红外图像滤波，在保证实时性的同时，使得硬件体积大为缩减，大大降低了成本，具有很强的实用价值。如果再结合其他滤波预处理方法，则可以进一步提高其滤除噪声的能力，更好地改善图像质量。本设计方案只能运用于矩阵型3*3模板，对于其他类型的模板(如5*5模板、十字线型模板)，需要重新进行系统设计。另外。在FPGA设计中，一定要严格控制时序，保证时钟有足够的建立时间和保持时间，并保证时序的严格同步，电路的延时应该尽可能小。