基于Stratix II EP2S60的改进中值滤波器的设计及实现

图1中，D代表延时器，FIFO代表先进先出存储器。该先进先出存储器模块如图2所示，wrreq和rdreq分别为写、读使能，aclr为异步清零。图像数据以像素时钟节拍从数据输入端依次输入，FIFO用来存储一行数据，从而使M11，M12，…，M33正好对应3*3窗口的9个图像数据(见表1)。当数据流不断从数据输入端输入时，3*3模板对应的图像数据不断地跟着变化，这样就可以对一帧图像的所有像素都进行3*3模板处理。


3．2 3*3窗口内9个数值的排序模块

由前面2．2节对中值滤波改进算法的说明不难看出，整个排序实际就是要进行7次3值比较：

1) 3*3窗口每一行的3个数进行比较．分别得出每行的最大值、中值、最小值，一共有3行，需3次3值比较；

2)3个最大值组、中值组、最小值组进行3值比较，3个组需3次3值比较；

3)最大值组中的最小值、中值组中的中值、最小值组中的最大值3个数再进行一次比较。需1次3值比较。

为了尽量节约资源，充分利用硬件设计中的"模块复用"原则，只需先设计一个简单的3值比较器模块，7次调用该模块即可以轻松完成中值滤波排序。

另外，在图像的各个边缘。由于无法用3*3窗口覆盖(窗口的一部分要覆盖到图像的外部)。所以无法直接调用该中值滤波排序模块。参考了大量基于领域的图像硬件处理系统的做法。本文将图像边缘像素简单地设成"0"。并不会影响整个中值滤波的效果。这样只需再加一个判断窗口位置的模块，如果判断结果是边缘．则不调用排序模块而把"0"直接赋到输出端；反之。则调用该排序模块。

4 基于FPGA的处理结果

整个电路的设计使用Verilog HDL语言编写，以Altera公司的Stratix II EP2S60器件为硬件平台，在Quartus II 5．1的软件开发环境下实现320*256*16 bit灰度图像的中值滤波。该图像1场时间是20ms(其中场消隐时间约为6．35 ms)，像素时钟是6 MHz，算法占用资源如表2所示。

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。