【正文】 II 基于 SOPC 的視頻降噪系統(tǒng)的研究與硬件設(shè)計(jì) 摘要： 圖像的復(fù)原技術(shù)對(duì)于人們提取有用信息起到了關(guān)鍵作用。該系統(tǒng)是基于StratixⅡ器件中的 EP2S30F484C3 芯片，占用了 39%的系統(tǒng)資源。 5 第 2 章 SOPC 技術(shù)介紹 7 Quartus Ⅱ的介紹 13 LUM 平滑器 20 第 5 章 系統(tǒng)建立及在 SOPC 中的模塊搭建 34 中值選取模塊的調(diào)試 圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。 1975 年 EMI 公司又成功研制出全身用的 CT 裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。 圖像處理主要研究的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： (1) 圖像變換 由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。圖像復(fù)原要求對(duì)圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立 降質(zhì)模型 ，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)開始進(jìn)行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法?，F(xiàn)在世界各國都在利用各類衛(wèi)星所獲取的圖像進(jìn)行資源調(diào)查、災(zāi)害檢測、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。 課題的目的及意義 由于視頻降噪是屬于圖像處理中的 圖像增強(qiáng)和復(fù)原 技術(shù)，由于近年來數(shù)字圖像的廣泛應(yīng)用，所以視頻降噪也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。這也是現(xiàn)在圖像處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。先介紹了中值濾波實(shí)現(xiàn)的總體框架，再具體介紹了框架中各個(gè)組件的功能及實(shí)現(xiàn)。 SOPC 技術(shù)是一門全新的綜合性電子設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及面廣 。最具有代表性的嵌入式軟核處理器是 Altera 公司的NiosⅡ軟核處理器。而這其中用到的主要工具是 Altera 公司的 QuartusⅡ和 NiosⅡ IDE。其他 IP 模塊 硬件配置文件 JTAG, UART, Ether Altera PLD 軟件開發(fā) 硬件開發(fā) NiosⅡ IDE QuartusⅡ也可以利用第三方的綜合工具，如 Leonardo Spectrun、 Synplify Pro、 FPGA Compiler，并能直接調(diào)用這些工具。 在下圖 (22)中，上面一排是 QuartusⅡ編譯設(shè)計(jì)主控界面，它顯示了 QuartusⅡ自動(dòng)設(shè)計(jì)各主要處理環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)輸入編譯、設(shè)計(jì)分析與綜合、適配、編程文件匯編、時(shí)序參數(shù)提取以及編程下載幾個(gè)步驟。 1986 年 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化組織開始工作，討論 VHDL 語 言標(biāo)準(zhǔn)，歷時(shí)一年有余，于 1987 年 12 月通過標(biāo)準(zhǔn)審查，并宣布實(shí)施，即 IEEE STD 1076— 1987[LRM87]。 VHDL 語 言中的設(shè)計(jì)實(shí)體（ design entity） 、程序包（ package）、 設(shè)計(jì)庫 （ library） ，為設(shè)計(jì)人員重復(fù)利用他人的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)手段。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 結(jié)構(gòu)體具體指明了該設(shè)計(jì)實(shí)體的行為，定義了該設(shè)計(jì)實(shí)體的功能，規(guī)定了該設(shè)計(jì)實(shí)體的數(shù)據(jù)流程，指派了實(shí)體中 內(nèi)部元件的連接關(guān)系。每個(gè)元件可以分別仿 真，然后再整體調(diào)試。反之為了提升邊緣輪廓可以采用高通濾波器，但噪聲同時(shí)也將被加強(qiáng)。均值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如是式 (31)所示： ( , )1( , ) ( , )i j Wg x y f i jM?? ? (31) 在公式 (31)中 g(x, y)為輸出圖像， f( i, j)為原圖像， W 表示濾波窗口， M表示濾波窗口大小。把一 個(gè)點(diǎn)的特定長度或形狀的鄰域稱作窗口。最常用的閾值化去噪方法：一是默認(rèn)閾值消噪處理 ,即在消噪處理過程中采用程序中設(shè)定的閾值，對(duì)分解信號(hào)進(jìn)行分類處理，以求消除噪聲；二是給定軟 (或硬 )閾值消噪處理，閾值通過某一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，該閾值比默認(rèn)的閾值去噪效果更有說服力。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 LUM 濾波器是一類新的基于排序的濾波器，主要用于信號(hào)和圖像處理的各種應(yīng)用中。 k 值越小，其保留細(xì)節(jié)的特性越突出， k 值越大，其噪聲平滑的效果越好。 幾種算法的比較及選擇 (1)4 點(diǎn)鄰域均值濾波及 5 5 中值濾波和維納濾波以圖像模糊為代價(jià)，可以不同程度地濾除相關(guān)噪聲。 (3)盡管維納濾波方法是按最小原則導(dǎo)出的，在理論上更精確，維納濾波雖能使噪聲得到抑制，并較好保存圖像的邊緣和高頻細(xì)節(jié)信息，但是去噪后的圖像顯得很模糊。 中值濾波與 LUM 濾波器的仿真 通過仿真后我們可以看到，將 LUM 濾波器和中值濾波結(jié)合起來用于去掉圖像的椒鹽噪聲有很好的效果。圖像數(shù)據(jù)以時(shí)鐘節(jié)拍從數(shù)據(jù)輸入端依次輸入 ,FIFO 用來存儲(chǔ)一 行的數(shù)據(jù)，便使 11, 12,..., 33W W W存放的正好是 3 3 模板所對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，圖 (43)所示： 圖 43 3 3 模板對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù) 當(dāng)數(shù)據(jù)流不斷從數(shù)據(jù)輸入端輸入時(shí) , 3 3 模板對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)不斷地跟著變化 ,這就可以對(duì)一幀圖像的所有像素都進(jìn)行 3 3 模板處理。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 q1,q2:out std_logic_vector(7 downto 0))。 end architecture one。圖中的 c 代表的是 8 位 2 進(jìn)制數(shù)值比較器。 系 統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 對(duì)系統(tǒng)的大概規(guī)劃好后，然后就是對(duì) SOPC 片上系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)了。 沒給 PIO 最多可提供 32 個(gè) I/O 端口。 Avalon 主外設(shè) (如 NiosⅡ處理器 )通過訪問 JTAG 接口的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器來完成通信。 JTAG UART 核提供一個(gè)高電平有效的中斷輸出信號(hào)，在數(shù)據(jù)可讀或?qū)?FIFO 可用 時(shí)， JTAG UART 可以請(qǐng)求中斷。 FPGA 內(nèi)部所有的結(jié)點(diǎn)都復(fù)用同一個(gè) JATG 連接。 NiosⅡ IDE 中的 Flash 編程器允許用戶對(duì) EPCS 器件進(jìn)行管理和編程。用 戶可以將 NiosⅡ處理器配置為從 EPCS 控制器啟動(dòng)。通常其數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)完全和 RAM 一致，只是存取方式有所不同。這是一個(gè)同步的 FIFO在時(shí)鐘的上升沿作用下，當(dāng) WR=0 且 FULL=0 時(shí)， Data 的數(shù)據(jù)將壓入 FIFO 堆棧。 Altera 的 EPCS 配置器件通過專用的 FPGA 引腳與之相連，而非通用的 I/O 引腳。因此，通過 EPCS 控制器，用戶可以進(jìn)行以下操作： ① 將程序代碼存儲(chǔ)在 EPCS 器件中。 ⑤ 器件支持和工具 JTAG UART 核支持 Stratix， StratixⅡ， Cyclone 和 CycloneⅡ器件。 FIFO 的深度根據(jù) FPGA片內(nèi)可用的存儲(chǔ)單元來確定。主機(jī)可以通過下載電纜 (如 USBBlaster)連接到 FPGA 上。在主機(jī)的控制下， PIO 從輸入端口捕獲數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到傳輸端口。要進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要對(duì) SOPC Builder 了解，然后才能用 SOPC Builder建立起一個(gè) SOPC 系統(tǒng)模塊。而圖中有的比較器雖然只有 1 個(gè)輸入，但這并不影響其功能，因?yàn)楫?dāng)只有一個(gè)輸入的時(shí)候，比較器會(huì)將沒有輸入的一端默認(rèn)為 0，再進(jìn)行比較，而數(shù)據(jù)的灰度值是大于等于 0 的，所以只要在只有 1 個(gè)數(shù)據(jù)輸入的比較器的地方注意其輸出只能是 q1[7..0]，即大的一端輸出就 可以了。所以說 q1[7..0]是輸出大的一個(gè)數(shù)，而 q2[7..0]則是輸出小的一個(gè)數(shù)。 architecture one of bijiaoqi is begin process(a,b) begin if (a=b) then q1=a。 (2) 3 3 模板生成模塊的硬件實(shí)現(xiàn)及封裝 在了解了 3 3 模板生成模塊的原理后，就要對(duì)其進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)了。 LUM 濾波和中值濾波的仿真圖如圖 31 到圖 35。如果在閾值得選擇上選取得不恰當(dāng)?shù)迷挘敲匆膊荒艿玫角逦脠D像。但如果增 大了鄰域范圍，能夠更好濾除噪聲，但圖像的模糊程度加重； 5 5 中值濾波窗口取得相對(duì)較大，能夠較好地濾除噪聲，但同時(shí)圖像的模糊程度也隨之增大，這主要和所選取的窗口大小有關(guān)。 LUM 銳化器 LUM 銳化器是 LUM 濾波器的另一個(gè)子濾波結(jié)構(gòu)，其作用是銳化圖像，增強(qiáng)圖像的邊緣。 設(shè) W 是一個(gè)以 *x 為中心像素，具有 N(N 為奇數(shù) )個(gè)像素點(diǎn)的窗口函數(shù)，即： ?? NxxxW ,..., 21? (38) 對(duì)于二維信號(hào)，可把窗口看成一個(gè)簡單的 ? ? ? ? Nmm ???? 1212 方窗，排序后的集合表示如式 (39)： ? ? ? ? ? ?Nxxx ??? . . . .21 (39) 下面我們分別給出 LUM 平滑器、 LUM 銳化器和通用 LUM 濾波器的定義。如式 (36)所示： ????? ???? ???? WWWWW ),)(s gn(,0 (36) 式中， W 表示小波系數(shù)的數(shù)值； sgn( )是符號(hào)函數(shù)，當(dāng)數(shù)值大于零，符號(hào)為正，反之符號(hào)為負(fù)。設(shè)式(34) 表示數(shù)字圖像各點(diǎn)的灰度值，如下式所示： ? ? ?? 2, Ijix ij ? (34) 那么濾波窗口為 A 的二維中值濾波可定義如式 (35)： }),(,),(,{}{ 2))(( IjiAsrxM e dxM e dy sjriijAij ???? ?? (35) 雖然標(biāo)準(zhǔn)中值濾波技術(shù)在衰減噪聲的同時(shí)能較好的保護(hù)圖像邊緣，但由于其僅考慮濾波窗口內(nèi)的輸入 數(shù)據(jù)的排序信息，而未考慮輸入數(shù)據(jù)的時(shí)序源信息，故在圖像處理中會(huì)產(chǎn)生邊緣抖動(dòng)，并會(huì)刪除掉一些重要的圖像細(xì)節(jié)，如細(xì)線，拐角等。在對(duì)算法進(jìn)行思考后，我們可以進(jìn)行一些改進(jìn)措施來保護(hù)邊緣。中值濾波在消除噪聲的同時(shí)能保護(hù)邊緣信息，特別是對(duì)于沖擊噪聲尤為有用，但是對(duì)于二維信號(hào)（如數(shù)字圖像中對(duì)于圖像的線條或邊緣等比較復(fù)雜的情況）或者更高維信號(hào)，可能會(huì)引人更多的信號(hào)失真和特性丟失。 第 3 章 降噪方案介紹、比較及選擇 現(xiàn)在數(shù)字圖像處理的方法主要分成兩大部分：一是空域分析法，二是頻域分析法。結(jié)構(gòu)體的行為描述，即指對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)體的描述按照算法的路徑來描述。 VHDL 程序包含實(shí)體（ entity）、 結(jié)構(gòu)體 （ architecture）、 配 置（ configuration） 、包集合（ package） 、庫（ library） 5 個(gè)部分。最終 VHDL標(biāo)準(zhǔn)得到推廣、實(shí)施和普及。 圖 22 QuartusⅡ 設(shè)計(jì)流程 硬件語言介紹 圖形或 HDL 編輯 Analysisamp。此外， QuartusⅡ與 MATLAB 和 DSP Builder 結(jié)合，可以進(jìn)行基于 FPGA 的 DSP 系統(tǒng)開發(fā)，是 DSP 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 EDA 工具。自定義庫 QuartusⅡ在 21 世紀(jì)初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plusⅡ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其 界面友好，使用便捷。 HardCopy 就是利用原有的 FPGA 開發(fā)工具，將成功實(shí)現(xiàn)于 FPGA 器件上的 SOPC 系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向 ASIC 轉(zhuǎn)化，從而克服傳統(tǒng) ASIC 設(shè)計(jì)中普遍存在的問題。目前最常用的嵌入式系統(tǒng)大多采用了含有 ARM 的 32 位知識(shí)產(chǎn)權(quán)處理核的器件。先對(duì)組件進(jìn)行選擇并生成系統(tǒng)，然后再將生成的片上系統(tǒng)于硬件實(shí)現(xiàn)的濾波塊進(jìn)行連接，建立頂層文件。綜合介紹了圖象處理的背景、應(yīng)用展望，以及課題選擇的目的和意義。在圖像采集和傳輸過程中，信號(hào)常常會(huì)受到隨機(jī)噪聲的干擾。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機(jī)器人，將會(huì)給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的面貌，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。 （ 2）生物醫(yī)學(xué)工程方面數(shù)字圖像處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十