【正文】 灰度值進(jìn)行排序，然后按照數(shù)據(jù)的大小依次排序?yàn)閝1[7..0]、q2[7..0]、…、q9[7..0]。 end process。entity bijiaoqi is port( a,b:in std_logic_vector(7 downto 0)。 33模板生成模塊(1) 33模板生成模塊的原理33模板生成模塊的原理框圖如圖(42)所示：R2R3FIFOAR4 R5R6R7FIFO B數(shù)據(jù)輸入R1W33 W32W31W23W22W21W13W12W11圖42 33模板電路原理框圖圖(42)中：R代表移位寄存器；FIFO代表先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。綜上所述，這次設(shè)計(jì)選取中值濾膜來實(shí)現(xiàn)圖像的降噪，因?yàn)槿绻?3窗口的中值濾波去處理帶有噪聲的圖像，那么由于窗口很小，那么所損失的圖像的信息就很少，而且對(duì)圖像也不會(huì)造成很明顯的模糊，所以選擇中值濾波進(jìn)行設(shè)計(jì)。這也是中值濾波的一個(gè)比較大的缺點(diǎn)。這樣LUM濾波器的定義如下： (312)從式(312)可以看出，只需要調(diào)節(jié)參數(shù)k和l就可以實(shí)現(xiàn)LUM濾波器的不同功能，因此，LUM濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)且功能強(qiáng)大的濾波器，它避免傳統(tǒng)線性邊緣增強(qiáng)濾波器的一些缺點(diǎn)，具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和極大的靈活性，可根據(jù)需要來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同功能，例如：可把它設(shè)計(jì)成對(duì)附加噪聲不敏感的濾波器，也可把它設(shè)計(jì)成在去除脈沖噪聲的同時(shí)能增強(qiáng)的濾波器等。參數(shù) k用于控制濾波器的平滑特性，通過調(diào)節(jié)k值，可折衷噪聲平滑和細(xì)節(jié)保留這一矛盾。經(jīng)過平滑的圖像變得模糊是因?yàn)閳D像受到平均或積分運(yùn)算，那我們對(duì)其進(jìn)行逆運(yùn)算就可以使圖像變得清晰。小波系數(shù)絕對(duì)值趨向于零，意味著小波系數(shù)所包含的信息量受噪聲干擾強(qiáng)烈。中值的定義如下：一組數(shù)把n個(gè)數(shù)按照值的大小順序排列如下： (33) 在式(33)中y為該序列的中值。中值濾波是以要處理的象素點(diǎn)以濾波窗口為中心，然后讀取濾波窗口中所有象素的灰度值，計(jì)算他們的均值（計(jì)算公式： 所有象素的灰度值之和/濾波窗口大?。缓笥眠@個(gè)求出的均值去替代所處理的象素灰度值。由于圖像的邊緣輪廓含有大量的高頻信息，所以在消除噪聲的同時(shí)低通濾波器降使圖像的邊緣變得模糊。多層次設(shè)計(jì)的每個(gè)層次都可以作為一個(gè)元件，再構(gòu)成一個(gè)模塊，或構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。實(shí)體由實(shí)體說明和結(jié)構(gòu)體說明兩部分組成。VHDL既能被人容易讀懂，又能被計(jì)算機(jī)識(shí)別，作為技術(shù)人員編寫的源文件，它既是計(jì)算機(jī)程序、技術(shù)文檔和技術(shù)人員硬件信息交流的文件，又是簽約雙方的合同文件。它的產(chǎn)生是由于美國(guó)政府為了在電子系統(tǒng)承包中降低開發(fā)費(fèi)用，避免重復(fù)設(shè)計(jì)，由美國(guó)國(guó)防部牽頭，聯(lián)合眾多院校、廠商，為他們的高速集成電路提供了一種硬件描述語(yǔ)言，以期望VHDL功能強(qiáng)大、嚴(yán)格、可讀性好。在Compiler Tool，可以打開該模塊的設(shè)置文件或報(bào)告文件，或打開其他相關(guān)窗口。QuartusⅡ設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL、Verilog的設(shè)計(jì)流程，其內(nèi)部嵌有VHDL、Verilog邏輯綜合器。用戶代碼 SOPC系統(tǒng)開發(fā)流程 SOPC系統(tǒng)的開發(fā)流程一般分為硬件和軟件兩大部分，如圖(21)所示： 配置處理器自定義指令處理器庫(kù)外 設(shè) 庫(kù)選擇并配置外設(shè)IP模塊連接模塊生 成如果利用軟核嵌入式系統(tǒng)處理器就能有效克服這些不利因素。SOPC技術(shù)的目標(biāo)就是試圖將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中實(shí)現(xiàn)，使得所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級(jí)等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。第四章 中值濾波的硬件實(shí)現(xiàn)。針對(duì)圖像預(yù)處理階段運(yùn)算結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以硬件實(shí)現(xiàn)是可以滿足這個(gè)要求的。（7）其它方面的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如地理信息系統(tǒng)中二維、三維電子地圖的自動(dòng)生成、修復(fù)等；教育領(lǐng)域各種輔助教學(xué)系統(tǒng)研究、制作中；流媒體技術(shù)領(lǐng)域等等。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特量。現(xiàn)在世界各國(guó)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(cè)、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。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。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。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。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。在SOPC Builder下添加PIO、JTAG UART、EPCS等組件，并生成系統(tǒng)。圖像降噪技術(shù)屬于圖像復(fù)原技術(shù)。通過對(duì)各個(gè)模塊及系統(tǒng)的調(diào)試，可以證明系統(tǒng)處理的速度是比較理想的。隨后又對(duì)探測(cè)飛船發(fā)回的近十萬(wàn)張照片進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也推動(dòng)了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。 隨著圖像處理技術(shù)的深入發(fā)展，從70年代中期開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。 圖像處理的應(yīng)用展望圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。（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)用十分廣泛，且很有成效。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。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。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。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。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。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。用戶代碼而這其中用到的主要工具是Altera 公司的QuartusⅡ和NiosⅡ IDE。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。圖形或HDL編輯Analysisamp。最終VHDL標(biāo)準(zhǔn)得到推廣、實(shí)施和普及。VHDL程序包含實(shí)體（entity）、結(jié)構(gòu)體（architecture）、配置（configuration）、包集合（package）、庫(kù)（library）5個(gè)部分。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。 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。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。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。設(shè)式(34) 表示數(shù)字圖像各點(diǎn)的灰度值，如下式所示： (34)那么濾波窗口為A的二維中值濾波可定義如式(35)： (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。如式(36)所示： (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)W是一個(gè)以為中心像素，具有N(N為奇數(shù))個(gè)像素點(diǎn)的窗口函數(shù)，即： (38)對(duì)于二維信號(hào)，可把窗口看成一個(gè)簡(jiǎn)單的方窗，排序后的集合表示如式(39)： (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。 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。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；55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)。如果在閾值得選擇上選取得不恰當(dāng)?shù)迷?，那么也不能得到清晰得圖像。LUM濾波和中值濾波的仿真圖如圖31到圖35。 (2) 33模板生成模塊的硬件實(shí)現(xiàn)及封裝在了解了33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。architecture one of bijiaoqi is begin process(a,b) begin if (a=b) then q1=a。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)。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。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。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。主機(jī)可以通過下載電纜(如USBBlaster)連接到FPGA上。FIFO的深度根據(jù)FPGA片內(nèi)可用的存儲(chǔ)單元來確定。⑤ 器件支持和工具JTAG UART核支持Stratix，StratixⅡ，Cyclone和CycloneⅡ器件。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。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。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。通過33模板生成模塊的原理圖我們可以看出，要想3行數(shù)據(jù)的前3位同時(shí)輸出，那么每個(gè)FIFO里面的數(shù)據(jù)加上兩個(gè)D觸發(fā)器里面的數(shù)據(jù)就是一行的數(shù)據(jù)，而我們處理的圖像是256256，所以這里就需要將FIFO的深度設(shè)置成254了，但在FIFO的設(shè)置里面卻沒有254這個(gè)選項(xiàng)，所以就必須自己來做個(gè)適合的FIFO來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)了。接著添加I/O接口、epcs_controller以及jtag_uart，除了I/O端口需要將其設(shè)置為輸入輸出和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度外，epcs_controller和jtag_uart都是用系統(tǒng)默認(rèn)的值，不需要我們改動(dòng)。由于經(jīng)驗(yàn)建立好了相應(yīng)的模塊，就需要?jiǎng)?chuàng)建頂層文件了，由于使用圖形輸入的，所以這里用Block diagram/Schematic File定義頂層文件。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真前，首先要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，由于我們是驗(yàn)證254位FIFO的功能是否正確，那么就要看它是否在存入254個(gè)數(shù)據(jù)后有滿信號(hào)輸出，然后在看讀、寫信號(hào)的功能是否正確。圖62則是對(duì)33模板生成模塊的仿真圖：圖62 33模板生成模塊輸出驗(yàn)證從圖62中的數(shù)據(jù)可以看出，圖中下方的9行數(shù)據(jù)分別是z11到z33。其功能仿真如圖63所示：圖63中值選取仿真波形通過圖63我們可以看出，對(duì)于輸入的9個(gè)隨即數(shù)據(jù)，中值選取模塊可以將它們按照從小到大的順序輸出，這樣就證明模塊功能的正確性。 處理結(jié)果及分析 圖65 原始圖像 圖66 加入椒鹽噪聲的圖像圖67 處理后的圖像從圖像的處理結(jié)果可以看出，在對(duì)椒鹽噪聲進(jìn)行處理的時(shí)候，系統(tǒng)能有效的將噪聲去除掉，而且對(duì)圖像的細(xì)節(jié)也能較好地保護(hù)，僅在下面部分產(chǎn)生了點(diǎn)模糊。在此次設(shè)計(jì)中，我主要完成了以下工作：(1) 完成對(duì)片上系統(tǒng)的設(shè)置及系統(tǒng)的生成；(2) 完成了對(duì)深度為254位FIFO的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；(3) 通過硬件實(shí)現(xiàn)了33模板生成模塊的正確輸出，為中值濾波提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；(4) 完成了中值選取模塊的實(shí)現(xiàn)，并最終完成了整個(gè)中值濾波系統(tǒng)的功能仿真。感謝各位對(duì)我的幫助和關(guān)心，再次表示深深的感謝！謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心和幫助過我的人！參考文獻(xiàn)[1] Aishy Amer, Eric Dubois, Fast and Reliable StructureOriented Video Noise Estimation[J]. 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