基于FPGA的實(shí)時(shí)中值濾波器硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 分塊存儲(chǔ)方法和并行運(yùn)算結(jié)構(gòu)
如圖4，以256×256大小的圖像為例，將其劃分為8個(gè)256行32列的圖像塊，中值濾波運(yùn)算就是按照塊的順序，對(duì)每塊圖像從上到下進(jìn)行[5]。每一次存儲(chǔ)體訪問讀出一行鄰域后，通過流水線隊(duì)列即可形成n×32的鄰域，對(duì)于中值濾波算法n為3。為了最大化地提高圖像處理速度，采取了32個(gè)3×3鄰域的并行計(jì)算。但是構(gòu)造32個(gè)3×3鄰域，需要額外增加2列數(shù)據(jù)，組成3行34列的運(yùn)算矩陣。這額外的2列數(shù)據(jù)正是前一圖像塊的最右端的2列，為了后續(xù)運(yùn)算的需要，已經(jīng)保存在RAMa或RAMb中了。RAMa、RAMb的作用是實(shí)現(xiàn)乒乓RAM操作，例如向RAMa中寫當(dāng)前圖像塊的最右端2列時(shí)，處理單元同時(shí)從RAMb中取出前一個(gè)圖像塊的最右端2列數(shù)據(jù)參與運(yùn)算。運(yùn)算單元架構(gòu)如圖5，這樣每一次并行計(jì)算就得到了32個(gè)8 bit的結(jié)果，對(duì)應(yīng)32個(gè)結(jié)果像素，即圖5中的result為256 bit。

2.2 FIFO緩存
共享RAM芯片采用了Cypress公司的CY7C1380，這是一款32 bit位寬、2 MB容量的同步SRAM。因?yàn)橄到y(tǒng)采用流水線結(jié)構(gòu)，一個(gè)clk即可產(chǎn)生256 bit的結(jié)果，需要寫入到32 bit的SRAM，如果不加入緩沖器，必定會(huì)有結(jié)果數(shù)據(jù)的丟失，為此，加入一個(gè)FIFO，將256 bit結(jié)果分8次寫入共享RAM，每次寫32 bit，這樣，F(xiàn)IFO完成了寫快讀慢的緩沖過程。FIFO的深度取決于需要緩沖的數(shù)據(jù)量，緩沖的數(shù)據(jù)量取決于寫速率和讀速率，見式(1)。

3 FPGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6（a）是從高清攝像機(jī)隨機(jī)采得的帶噪圖像，從圖6（b）可看出本文設(shè)計(jì)的針對(duì)大圖像（1 920×1 080）的中值濾波器有較好的去噪效果。

整個(gè)電路結(jié)構(gòu)采用Verilog編寫，該中值濾波器能達(dá)到的最大工作頻率為60 MHz，該中值濾波器對(duì)如圖6所示的1 920×1 080灰度圖執(zhí)行中值濾波的時(shí)間約為10 ms，這個(gè)速度要比實(shí)時(shí)快4倍。為了突出本文設(shè)計(jì)的中值濾波器的性能，本文采用512×512的灰度圖做實(shí)驗(yàn)。將本文設(shè)計(jì)的中值濾波器與文獻(xiàn)[1]、[3]設(shè)計(jì)的中值濾波器的性能比較，可以看出，本文設(shè)計(jì)的中值濾波器的處理速度約為文獻(xiàn)[1]方法的8倍，約為文獻(xiàn)[3]方法的20倍，如表1所示。
本文針對(duì)NIPC-3的特點(diǎn)，用適合并行處理的存儲(chǔ)方法，成功實(shí)現(xiàn)了1 920×1 080大小圖像的實(shí)時(shí)中值濾波系統(tǒng)。該系統(tǒng)有較好的去噪效果，同時(shí)在速度上完全滿足實(shí)時(shí)需要，是一個(gè)高速且完整的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于高清視頻圖像的預(yù)處理，有很大的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 石婷，張紅雨，黃自立.基于Stratix II EP2S60的改進(jìn)中值濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子元器件，2007(1)：12-15.
[2] 徐大鵬，李從善.基于FPGA的數(shù)字圖像中值濾波器設(shè)計(jì)[J].電子器件，2006，29(4)：1114-1117.
[3] 蘇光大.實(shí)時(shí)中值濾波器的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，1999(5)：25-27.
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[5] 劉炯鑫.NIPC-3鄰域圖像并行處理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)[D].清華大學(xué)電子工程系，2007.