【文章內容簡介】 圓柱體描述等方法。 (6) 圖像分類（識別） 圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內容是圖像經過某些預處理（增強、復原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。圖像分類常采用經典的模式識別方法，有統(tǒng)計模式分類和句法（結構） 模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經網絡模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。 圖像處理的應用展望 圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應用領域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著科學技術的發(fā)展，數字圖像處理技術的應用領域也將隨之不斷擴大。數字圖像處理技術未來應用領域主要有以下七個方面： （ 1）航天航空技術方面 數字圖像處理技術在航天航空技術方面的應用，除 JPL對月球、火星照片的處理之外，另一方面是在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術中。圖像在空中先處理（數字化編碼）成數 字信號存人磁帶中，在衛(wèi)星經過地面站上空時，再高速傳送下來，然后由處理中心分析判讀。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數字圖像處理方法?，F(xiàn)在世界各國都在利用各類衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調查、災害檢測、資源勘察、農業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。在氣象預報和對太空其它星球研究方面，數字圖像處理技術也發(fā)揮了相當大的作用。 （ 2）生物醫(yī)學工程方面數字圖像處理技術在生物醫(yī)學工程方面的應用十分廣泛，且很有成效。除了 CT 技術之外，還有一類是對醫(yī)用顯微技術的處理分析，如染色體分析、癌細胞識別等。此 外，在 X 光肺部圖像增晰、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學診斷方面都廣泛地應用圖像處理技術。 （ 3）通信工程方面當面通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數據結合的流媒體通信。其中以圖像通信最為復雜和困難，因圖像的數據量十分巨大，如傳送彩西南科技大學本科生畢業(yè)論文 4 色電視信號的速率達 100M/s 以上。要將這樣高速率的數據實時傳送出去，必須采用編碼技術來壓縮信息的比特量。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術成敗的關鍵。 （ 4）工業(yè)工程方面在工業(yè)工程領域中圖像處理技術有著廣泛的應用，它大大提高了工作效率，如自動裝配線中質量檢 測，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些惡性環(huán)境內識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進設計和制造技術中采用工業(yè)視覺等等。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器人，將會給工農業(yè)生產帶來新的面貌，目前已在工業(yè)生產中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。 （ 5）軍事公安方面在軍事方面圖像處理和識別主要用于導彈的精確制導，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)和模擬訓練系統(tǒng)等；公安方面主要用于指紋識別、人臉鑒別、不完整圖片的復原以及交通監(jiān)控、事故分析等。目 前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別就是圖像處理技術成功應用的例子 [6]。 （ 6）文化藝術方面的應用 目前這類應用有電視畫面的數字編輯、動畫的制作、電子圖像游戲、紡織工藝品設計、服裝設計與制作、發(fā)型設計、文物資料照片的復制和修復、運動員動作分析和評分等等。目前正在形成一門新的藝術 —— 計算機美術。 （ 7）其它方面的應用 數字圖像處理技術已經滲透到社會生活的各個領域，如地理信息系統(tǒng)中二維、三維電子地圖的自動生成、修復等；教育領域各種輔助教學系統(tǒng)研究、制作中；流媒體技術領域等等。 課題的目的及意義 由于視頻降噪是屬于圖像處理中的 圖像增強和復原 技術，由于近年來數字圖像的廣泛應用，所以視頻降噪也是當前研究的熱點問題之一。而本課題主要研究的是視頻降噪算法的研究，并提出自己的算法。在圖像采集和傳輸過程中，信號常常會受到隨機噪聲的干擾。因而破壞了圖像像素間的結構、紋理、內容等方面的相關性。使得圖像失真，并且難于壓縮、識別和理解。因此，在大多數圖像應用場合都需要降低圖像中的噪聲，使圖像恢復本來的面目。由于低層的圖像預處理算法處理的數據量大，用一般的軟 件來實現(xiàn)會比較慢，而且對于一些實時性要求比較高的系統(tǒng)，如視頻圖像實時處理系統(tǒng) ,處理速度往往是要考慮的關鍵要素 ,因為一旦速度跟不上 ,實時性也就無西南科技大學本科生畢業(yè)論文 5 從談起。針對圖像預處理階段運算結構比較簡單的特點，所以硬件實現(xiàn)是可以滿足這個要求的。這也是現(xiàn)在圖像處理領域的熱點問題之一。 論文的主要內容 全文的主要內容共分為六章，分別為： 第一章 緒論。綜合介紹了圖象處理的背景、應用展望，以及課題選擇的目的和意義。 第二章 SOPC 技術介紹。首先介紹了 SOPC 技術及實現(xiàn)的方式，然后介紹試驗中所需要用到的軟件 QuartusⅡ的設計流程，最后介紹了硬件描述語言 VHDL。 第三章 方案介紹、比較及選擇。首先介紹幾種典型的降噪方法，并比較它們的優(yōu)缺點，然后按照其優(yōu)缺點進行選擇，從中選出自己的方案。 第四章 中值濾波的硬件實現(xiàn)。先介紹了中值濾波實現(xiàn)的總體框架，再具體介紹了框架中各個組件的功能及實現(xiàn)。 第五章 在 SOPC 中建立系統(tǒng)。先對組件進行選擇并生成系統(tǒng)，然后再將生成的片上系統(tǒng)于硬件實現(xiàn)的濾波塊進行連接，建立頂層文件。 第六章 功能模塊與系統(tǒng)的仿真。先對各個模塊進行仿真，然后再對系統(tǒng)進行仿真。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 6 第 2 章 SOPC 技術介紹 SOPC 技術簡介及實現(xiàn)方式 SOPC 技術簡介 SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模 FPGA 的單片系統(tǒng)。 SOPC 的設計技術是現(xiàn)代計算機輔助設計技術、 EDA 技術和大規(guī)模集成電路技術高度發(fā)展的產物。 SOPC 技術的目標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)、數字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數字系統(tǒng)等，在單一 FPGA 中實現(xiàn)，使得所設計 的電路系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開發(fā)成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化。 SOPC 技術是一門全新的綜合性電子設計技術，涉及面廣 。 SOPC 技術實現(xiàn)的方式 SOPC 技術實現(xiàn)方式一般分為三種： (1) 基于 FPGA 嵌入 IP(Intellectual Property )硬核的 SOPC 系統(tǒng)。目前最常用的嵌入式系統(tǒng)大多采用了含有 ARM 的 32 位知識產權處理核的器件。 Altera 公司 Excalibur系列的 FPGA 中就植入了 ARM922T 嵌入式視同處理器； Xilinx 的 VirtexⅡ Pro 系列中則植入了 IBM PowePC405 處理器。這樣就能使得 FPGA 靈活的硬件設計和硬件實現(xiàn)與處理器強大的軟件功能結合，高效地實現(xiàn) SOPC。 (2) 基于 FPGA 嵌入 IP 軟核的 SOPC 系統(tǒng)。在第一種實現(xiàn)方案中，由于硬核是預先植入的，其結構不能改變，功能也相對固定，無法裁減硬件資源，而且此類硬核多來自第三方公司，其知識產權費用導致成本的增加。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。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。 (3)基于 HardCopy 技術的 SOPC 系統(tǒng)。 HardCopy 就是利用原有的 FPGA 開發(fā)工具，將成功實現(xiàn)于 FPGA 器件上的 SOPC 系統(tǒng)通過特定的技術直接向 ASIC 轉化，從而克服傳統(tǒng) ASIC 設計中普遍存在的問題。 從 SOPC 實現(xiàn)方式上不難看出， IP 核在 SOPC 系統(tǒng)中占有極其重要的地位， IP核的設計及 IP 核的復用成為 SOPC 技術發(fā)展的關鍵所在。半導體產業(yè)的 IP 定義為用西南科技大學本科生畢業(yè)論文 7 于 ASIC、 ASSP 和 PLD 等當中預先設計好的電路模塊。在 SOPC 設計中每一個組件都是一個 IP 核。 IP 核模塊有行為、結構和物理三級不同程度的設計，對 應描述功能行為的不同分為三類，即完成行為描述的軟核 (Soft IP Core )、完成結構描述的固核(Firm IP Core )和基于物理描述并經過工藝驗證的硬核 (Hard IP Core )。 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： 圖 21 SOPC 系統(tǒng)開發(fā)流程 在圖 (21)中我們可以看出：硬件開發(fā)主要是創(chuàng)建 NiosⅡ系統(tǒng)，作為應用程序運行的平臺；軟件開發(fā)主要是根據系統(tǒng)應 用的需要，利用 C/C++語言和系統(tǒng)所帶的API(Application Programming Interface，應用程序接口 )函數編寫實現(xiàn)特定功能的程序。而這其中用到的主要工具是 Altera 公司的 QuartusⅡ和 NiosⅡ IDE。 QuartusⅡ 介紹 QuartusⅡ是 Aleter 提供的 FPGA/CPLD 開發(fā)集成環(huán)境， Altera 是世界最大的可編程邏輯器件供應商之一。 QuartusⅡ在 21 世紀初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plusⅡ的更新?lián)Q代產品，其 界面友好，使用便捷。它提供了一種與結構無關的設計環(huán)境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。 配置處理器 自定義指令 處理器庫 外 設 庫 選擇并配置外設 IP 模塊 連接模塊 生 成 HDL 源文件 測試平臺 QuartusⅡ 分析和適配 用戶代碼 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 C 頭文件 自定義庫 外設驅動 編譯、鏈接、調試 用戶代碼 庫 PTOS SOPC Builder GUI 可執(zhí)行代碼 軟件跟蹤， 硬件斷點 SignalTapⅡ 片上調試 驗證和調試 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 8 Altera 的 QuartusⅡ提供了完整的的多平臺設計環(huán)境，能滿足各種特定設計的需要，也是單芯片可編程系統(tǒng) (SOPC)設計的綜合性環(huán)境和 SOPC 開發(fā)的基本設計工具，并為 Altera DSP 開發(fā)包進行系統(tǒng)模型設計提供了集成綜合環(huán)境。 QuartusⅡ設計工具完全支持 VHDL、 Verilog 的設計流程，其內部嵌有 VHDL、 Verilog 邏輯綜合器。 QuartusⅡ也可以利用第三方的綜合工具，如 Leonardo Spectrun、 Synplify Pro、 FPGA Compiler，并能直接調用這些工具。同樣， QuartusⅡ具備仿真功能，同時也支持第三方的仿真工具，如 ModelSim。此外， QuartusⅡ與 MATLAB 和 DSP Builder 結合，可以進行基于 FPGA 的 DSP 系統(tǒng)開發(fā)，是 DSP 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵 EDA 工具。 QuartusⅡ包括模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析 /綜合器、適配器、裝配器、時序分析器、設計輔助模塊、 EDA 網表文件生成器和編輯數據接口等。可以通過 Start Compilating 來運行所有的編譯器模塊，也可以通過選擇 Start 單獨運行各個模塊。還可以通過選擇 Compiler Tool，在 Compiler Tool 窗口中運行該模塊來啟動編譯器模塊。在 Compiler Tool，可以打開該模塊的設置文件或報告文件，或打開其他相關窗口。 在下圖 (22)中，上面一排是 QuartusⅡ編譯設計主控界面，它顯示了 QuartusⅡ自動設計各主要處理環(huán)節(jié)和設計流程，包括設計輸入編譯、設計分析與綜合、適配、編程文件匯編、時序參數提取以及編程下載幾個步驟。在圖 (22)中，下面一排的流程框圖， 是與上面的 QuartusⅡ設計流程相對照的標準的 EDA 開發(fā)流程。 圖 22 QuartusⅡ 設計流程 硬件語言介紹 圖形或 HDL 編輯 Analysisamp。Synthesis (分析與綜合 ) Filter (適配器 ) Assembler (編程文件匯編 ) 編程器 設計輸入 綜合或編譯 適配器件 下載 仿真 Timing Analyzer (時序分析器 ) 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 9 硬件描述語言 (hardware description language， HDL)是電子系統(tǒng)硬件行為描述、結構描述、數據流描述的語言。 HDL 語言在國外有上百種，高等學校、科研單位、EDA 公司都有自己的 HDL 語言，現(xiàn)在影響最大的兩種 HDL 語言是 VHDL 和 Verilog HDL。 下面簡要介紹 VHDL 硬件描述語言。 VHDL 語言英文 全名是 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，即超高速集成電路硬件描述語言。它的產生是由于美國政府為了在電子系統(tǒng)承包中降低開發(fā)費用，避免重復設計，由美國國防部牽頭，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言，以期望 VHDL 功 能強大、嚴格、可讀性好。 1986 年 IEEE 標準化組織開始工作，討論 VHDL 語 言標準，歷時一年有余，于 1987 年 12 月通過標準審查，并宣布實施，即 IEEE STD 1076— 1987[LRM87]。 1993年 VHDL 重 新修訂，形成了新的標準，即 IEEE STD 1076— 1993[LRM93]。最終 VHDL標準得到推廣、實施和普及。 VHDL 語言描述能力強，覆蓋面廣，抽象能力強，所以用 VHDL 語言作為硬件模型建模很合適。設計者的原始描述是非常簡練的硬件描述，經過 EDA 工具綜合處理，最終生成付諸生產的電路描述或版圖參數描述的工藝文件。整個過程通過 EDA 工具自動完成，大大減輕了設計人員的工作強度，提高了設計質量，減少了出錯機會。 VHDL 語言可讀性好。 VHDL 既能被人容易讀懂，又能被計算 機識別，作為技術人員編寫的源文件，它既是計算機程序、技術文檔和技術人員硬件信息交流的文件，又是簽約雙方的合同文件。 VHDL 語 言中的設計實體（ design entity） 、程序包（ package）、 設計庫 （ library） ，為設計人員重復利用他人的設計提供了技術手段。重復利用他人的 IP 模塊和軟核 （ soft core） 是 VHDL 的 特色，許多設計不必個個都從頭再來，而是只要在更高層次上把 IP 模塊利用起來，就能達到事半功倍的效果。 VHDL 程序包含實體（ entity）、 結構體 （ architecture）、 配 置（ configuration） 、包集合（ package） 、庫（ library） 5 個部分。 簡單的實體是由實體和結構體兩部分組成的。實體用于描述設計系統(tǒng)的外部接口信號，結構體用于描述系統(tǒng)的行為、系統(tǒng)數據的流程或者系統(tǒng)組織結構形式。設計實體是 VHDL 程序的基本單元，是電子系統(tǒng)的抽象。簡單的實體可以是一個與門電路（ AND Gate） ，復雜的實體可以是一個微處理器或一個數字電子系統(tǒng)。實體由實體說明和結構體說明兩部分組成。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 結構體具體指明了該設計實體的行為，定義了該設計實體的功能，規(guī)定了該設計實體的數據流程，指派了實體中 內部元件的連接關系。用 VHDL 語言描述結構體有 3 種方法：行為描述法、數據流描述法和結構化描述法。結構體的行為描述，即指對設計實體的描述按照算法的路徑來描述。行為描述在 EDA 工程中稱為高層次描述或高級描述。數據流描述是結構體描述方法之一，它描述了數據流的運動路徑、運動方向及運動結果。結構化描述法適用于層次化設計，對于一個復雜的電子系統(tǒng)，可以分解成許多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)再分解成模塊。多層次設計可以使設計多人協(xié)作，并行同時進行。多層次設計的每個層次都可以作為一個元件，再構成一個模塊，或構成一個系統(tǒng)。每