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基于中值滤波的新内容

耶拉西莫斯 Louverdis 尼斯 ，

安德烈亚迪斯和安东尼奥斯 Gasteratos

摘 要

在本设计中的提出了基于中值滤波的硬件实现用来抑制脉冲噪声的干扰。拟议的电路功能是自适应 ；只有在必要时它才检测到存在邻域图像中的脉冲噪声中并应用中值滤波运算符。用这种方式，可以避免使图像在处理过程中变模糊并且完整的保留了图像边缘和细节的重要信息。拟议的数字硬件结构是能够处理的 8位灰度图像决议和完全流水线，而将用来并行处理计的算时间降至最低，FPGA的现场可编程结构和其在图像处理领域的应用，在这些领域内快速的运算是极为重要的。典型的系统时钟频率为55Mhz.

目 录

1：介绍 1

2.自适应的筛选过程 2

3硬件结构体系 3

4.执行问题 4

5.设计方法 5

6. 二维中值滤波器在线脉冲噪声的抑制 6

7.拟议修改 7

8.结论 10

1：介绍

在图像处理过程中有非常重要的应用程序分别是噪声过滤和图像增强。在图像处理过程中这些都是很必要的，不管最终图像是否用于视觉解释或自动分析。噪声滤波的目的是消除噪声及对原始图像影响，同尽可能少的时损坏原来的图像。因此非线性（例如中值滤波哦，一般情况下的顺序统计滤波器）与线性的滤波器先比，提供了更令人满意结果。脉冲噪声存在许多实际的应用程序中，并且来源广泛，包括一些人类的行为，例如作为保护的开关、工业机械、和汽车点火系统。由于嘈杂的传感器或通道传输错误的脉冲噪声早造成工图像的损坏。最常见用于灰度和彩色图像脉冲噪声抑制的方法是中值滤波。中值滤波的缺点是在应在模糊图像的滤波过程中。在一般情况下，筛选器是将应用于整个图像，修改的像素的均匀从而不受噪音污染。这种方式，有效的消除脉冲噪声往往是以整体图像的模糊或扭曲功能的退化为代价的。在本设计中提出的一种基于有效率才不脉冲噪声的中值滤波器上提出的。提出的电路电路具有只有当检测到当前图像中存在噪声时才启动相应的中值滤波程序。噪音检测过程基于图像的内容和计算中央像素和

周围的邻居的像素之间的差异。这种自适应的方法主要优势是避免图像的模糊和保留边缘详细信息的完整性。这种数字硬件结构是有能够进行8 位分辨率的灰度图象处理和执行这两个正面和负面的脉冲噪声去除。选择这种电路结构是基于四种基本的系列功能和在每一个阶段并行执行的流水线功能。但是，系统可以轻松地扩展以容纳更大的窗口大小。这个结构将使用可编程门阵列。数字电路的设计在由 Altera 公司提供的的可编程逻辑发展系统MAX plus ii下成功编译和仿真。本系统将使用EPF10K200SFC484-1 FPGAFLEX10KE 系列的芯片。其时钟频率是55MHZ并且此系统能被用于实时成像应用程序，在此系统中快熟处理是很必要的。例如对一张像素为260 times; 244灰度图像所需要的时间为10.6 毫秒。

2.自适应的筛选过程

图像f点的中值输出取决于图像附近x点的值。这个小区由 w 的窗口，位于点 f附近有 n 个 x₁，x₂与 n = 2 k 1个。自适应内容基于中值滤波器器可用于脉冲抑制灰度图像的噪声。自适应滤波的块状图过程如图 1 所示。噪声检测过程正面和负面的噪音如下所示：

（一）我们认为附近窗口w位于 图像 f 的x点处，同x点的差异并计算其附近的n-1个像素值，包括中间值。

(二) 这些差异的总和是绝对值的计算，用fab（x）表示。这个值提供了中间点和周围点之间最密切的关系。

（三）将值 fabs(x) 与 fthreshold(x)进行对比，看哪一个更适合作为正确的正整数阈值并可以进行修改。当fans（x）大于阈值值 fthreshold(x)时中央像素就会被认为是噪声。

（四) 中央像素被认为是噪音时，将被附近的中值所取代，及fk 1是中值滤波器的正常输出值。在相反的情况下，中间像素值不会改变，并重复该过程下一步的邻域窗口。从所述的噪声检测方案中，应该提到噪声检测水平过程是可以控制，并且像素值的范围（和不只固定值 0 和 255，盐和胡椒粉噪音） 被认为是脉冲噪声。在图 2 中位数的应用程序的结果进行筛选和描述'椒盐'的灰度图像中的 CBMF。更具体地说，在图 2 (a) 的原始的、 未损坏的图像描述'椒盐'。在图 2 (b) 原始图像5%，这两个正面和负面的脉冲噪声被降级说明了。无花果 2(c) 和 2(d) 的结果图像3 times; 3 像素窗口中值滤波和 CBMF 中的应用显示，分别。最后，结果的图像5 times; 5 像素的中值滤波和 CBMF 的应用窗口载列于无花果 2(e) 和 2 (f)。相比中值滤波器可以看到CBMF 的应用可以保留好得多边缘和细节的图像。可以利用一些不同的客观措施来评价这些结果。使用最广泛的方法是均方错误 (MSE) 和规范化均方误差（NMSE）。对这些措施的结果的评估对比如表一。对于这些措施的评估输出的图像将与原始的、为受损的图像进行比较。从表可以看出对于CBMF的MSE和NMSE评估在任何情况下比所有的中值滤波器都要小。

3硬件结构体系

自适应滤波器的结构包括四个基本功能单位、移动窗口单位、中位数的计算单位、算术运算的单位与输出选择单位。输入的系统的数据是图像邻域灰度值像素和噪声的阈值。滤波器的输出可以选择 3 times; 3 或 5 times; 5 图像附近的像素点。第一阶段是输入的数据以串行方式导入。这种方式，输入引脚的总数是 24 （21 投入输入的数据和时钟和控制信号 3 投入必需）。

输出数据是系统的合力灰度值计算的所选操作（8针脚）。用于存储输入的像素值和实现移动窗口操作的是移动窗口模块内部的内存系统。像素值输入的图像IMAGE_INPUT [7..0]，简称能量吸收率是导入到此序列中的单元，表示用来检测噪声像素的 13 位的阈值是必要的。对于一个3 times; 3 (5 times; 5）的移动窗口操作使用像素蛇纹石类型的内存，组成的 9 (25)注册。使用这种方式当窗口一如的图像领域仅有3 或 5 像素值存储是内存就会发生改变。使用'en5 times; 5'控制信号选择图像窗口的大小的时en5 times; 5等于0(1)3 times; 3 (5 times; 5）像素邻域处于选中状态。对于这些模块，当有需要时2-1 多路复用器要选择适当的像素值。只有在使用5 times; 5像素领域模块时，使能信号en5 times; 5才为1。此单元的输出是行的像素值（3 或 5，分别），即那些计算单元的输入值。计算单元的任务就是，当如有必要时计算图像领域的中值一边代替中心点的像素值。为了达到此效果我们需要利用25输入排序器。直到Batcher提出排序器结构，且其基于CS 块的使用。一个CS模块是一个最大/最小模块；它的第一个输出是输入的最大值，第二个输出是是最小值。CS模块实施包括一个比较器和一个2选1多路复用器。排序器的输出用OUT_0[7..0]、OUT_24[7..0]， 并作出25 初始像素值列表。2选1多路复用器用于 3 times; 3 或 5 times; 5领域像素中值的输出。

算术运算单元的功能是计算值 fabs(x)，即通过比较作为自适应滤波器噪声阀值输出最后阶段的中值。输入单元的值是中央相熟周围领域的值。对于fab（x）数学表达式执行，此电路的数学表达式包括很多加法器模块。需要注意的是需要用到寄存器用来实现流水线的操作。另外2选1多路复用器被利用于相应的选择输出值，这就要取决于en5 times; 5控制信号。从实施点方向看，算数快的使用适当的这一部分的电路满足要求。对于此选择，相应的噪声阀值是为相应的噪声阀值所计算，采用NOISE_THRESHOLD[12..0]表示。此值是同fabs(x) 和比较的结果进行分类不论是作为脉冲噪声或不的中央像素相比较的。如果fabs(x) 值大于阈值fthreshold(x)则中央的像素是积极的还是消极的脉冲噪声并且需要要被淘汰。为此，比较的输出将被用作2选1多路复用器的信号，即输入信号是中央中央像素和是图像领域相关的中值。多路复用器的输出是输出阶段和适应滤波器电路的最终输出。

4.执行问题

目标结构将在FPGA上实现，FPGA结构具有低成本、高性能和相对灵活性的特点，并有使用Altera 公司的Max plus ii软件包的功能。使用FPGA的EPF10K200SFC484-1 装置的 FLEX10KE 设备系列适用于要求高的密度的设计的设备系列和高 I/O 计数。设备99%的逻辑单元格（9965/9984 逻辑单元格）被用作电路的实施。系统的时钟频率为55MHZ。作为比较，执行的 260 times; 244 像素的灰度图像的筛选奔腾 4/2.4GHZ 的计算机上使用Matlab reg; 软件需要的时间的系统时间是约为7.2 秒，而相应的使用硬件的时间是约10.6 毫秒。系统的改造是为了以容纳windows 系统的改造，要求只要少量的更改，就可以简单的方式做较大的改变。更具体地说，在第一单元的蛇纹石的内存和相应的大小后一个正方形的多路复用器增加的数目的定律。在第二个单位中，应修改排序器模块，并且在第三单元加法器增加的增加以下平方的规则。在最后一个单元中是没必要没有变化的。

5.设计方法

本课题所设计的移动视频监控系统是基于VHDL硬件描述语言，在对常见3times;3 滤波窗口数学模型进行分析的基础上,开展基于FPGA 的数字图像中值滤波算法的研究，结合现场可编程门阵列FPGA 的并行结构和适合流水线设计的结构特点, 在ALTERA公司的Quartus II平台上采用VHDL硬件描述语言进行电路设计,并利用仿真工具MODELSIM 进行时序仿真验证。

中值滤波算法核心是排序排序算法的优劣直接决定了求取中间值的效率,从而决定滤波器的整体性能。基于硬件的排序算法设计可以充分地利用硬件平台的并行性特点,从而达到加快处理速度目的。基本的设计思想是将大问题分解为若干子问题并行解决,从而获取高效率的中间值获取过程。

(2)FPGA程序设计

程序采用VHDL语言编写,自上而下模块化设计,增加了程序的可读性和可维持性并易于综合器综合。充分利用FPGA的结构特点设计程序。为了能够达到较好的综合效果

(3)中值滤波器要与其他功能单元FPGA中是实现

本设计采用全局时钟同步设计，用一个较高频率的时钟经过处理后作为整个系统的公用全局时钟，视频数据的像素时钟经过处理后作为时钟使信号来控制D触发器的动作，这样既充分利用了FPGA资源又保证了数据处理速度与数据的传输速度的同步。

6. 二维中值滤波器在线脉冲噪声的抑制

一种改进二维中值滤波器，采用多壳的概念，以抑制脉冲噪声，拟定的过滤器的性能进行评估超过图像“LENNA”的中值滤波，脉冲噪声被添加使用到MATLAB的实用工具中。修改后的策略减少了替换的数量，而且引出适合于上线实施更好的性能以及简单的硬件实现.

在电视和其他成像系统中，脉冲噪声是一个共同的障碍。标准电视广播信号往往被各种原因产生的脉冲噪声污染，如家电和大气扰动。加宽的信号进一步提高脉冲噪声水平。各种过滤器作出以抑制这种损伤[1]，中值滤波器（MF）[1-2]被广泛用于脉冲噪声抑制，多壳中值滤波器（MMF）[3]也介绍了失踪线恢复的概念。尽管这些过滤器有令人满意的表现，MMF的未能在相同的处理窗口，过滤两个脉冲噪声。此外，这些过滤器由于太多的替代趋于模糊的图像。 C.J.Juan提出了改进的多壳中值滤波器（MMMF）[4]。它消除大部分的MF和MMF的缺点。然而，它得在一定条件下才能被使用，此将在后续的章节中讨论。MMMF未能执行所需的过滤操作。此外，在 MIN/ MAX的条件基础上的计算/替代量仍然过大，使得过滤器，特别是实时应用，难以实现。

在这个文件中，修改的MMMF限值策略使得：

（一）在任何情况下都进行有效的噪声过滤操作，

（二）减少和简化计算/替换。

这样就有了一个简单的过滤器的硬件实现。

7.拟议修改

拟定一个3x3的处理窗口，P5作为中央像素，如图1所

图1 3x3

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