【正文】 中值濾波可定義如式 (35)： }),(,),(,{}{ 2))(( IjiAsrxM e dxM e dy sjriijAij ???? ?? (35) 雖然標準中值濾波技術(shù)在衰減噪聲的同時能較好的保護圖像邊緣，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)的時序源信息，故在圖像處理中會產(chǎn)生邊緣抖動，并會刪除掉一些重要的圖像細節(jié)，如細線，拐角等。把一 個點的特定長度或形狀的鄰域稱作窗口。如公式 (32)所示： 22 ?m i n m i n { ( , ) } m i n { ( ( , ) ( , ) ) }M S E E e x y E f x y f x y? ? ? (32) 標準中值濾波 標準中值濾波的原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替。由于改進后的方法實現(xiàn)起來十分地復雜，而且還需要進行幾次閾值的確定，實現(xiàn)起來比較麻煩，所以我們不采用這種方法。在對算法進行思考后，我們可以進行一些改進措施來保護邊緣。均值濾波的數(shù)學表達式如是式 (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。 均值濾波 均值濾波的基本思想是建立一個矩形的濾波窗口，其大小可以自由設定，經(jīng)過實驗證明： 3 3 的大小是比較好的，而且一般的中值濾波也是取的 3 3 的窗口，所以這里也取 3 3 窗口。從古老的傅立葉變換發(fā)展到 余弦變換，再到現(xiàn)在風靡全球的小波變換，他們都代表了空間域圖像的變換域表示方法。中值濾波在消除噪聲的同時能保護邊緣信息，特別是對于沖擊噪聲尤為有用，但是對于二維信號（如數(shù)字圖像中對于圖像的線條或邊緣等比較復雜的情況）或者更高維信號，可能會引人更多的信號失真和特性丟失。反之為了提升邊緣輪廓可以采用高通濾波器，但噪聲同時也將被加強。線性濾波主要是基于均值操作的，其對象主要是高斯白噪聲，如低通濾波器、高通濾波器等是屬于線性濾波器范疇的濾波方法 。我們研究了現(xiàn)有的降噪算法。 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。每個元件可以分別仿 真，然后再整體調(diào)試。多層次設計可以使設計多人協(xié)作，并行同時進行。數(shù)據(jù)流描述是結(jié)構(gòu)體描述方法之一，它描述了數(shù)據(jù)流的運動路徑、運動方向及運動結(jié)果。結(jié)構(gòu)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。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)流程，指派了實體中 內(nèi)部元件的連接關(guān)系。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(shù)字電子系統(tǒng)。實體用于描述設計系統(tǒng)的外部接口信號，結(jié)構(gòu)體用于描述系統(tǒng)的行為、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流程或者系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)形式。 VHDL 程序包含實體（ entity）、 結(jié)構(gòu)體 （ architecture）、 配 置（ configuration） 、包集合（ package） 、庫（ library） 5 個部分。 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(shù)手段。 VHDL 語言可讀性好。設計者的原始描述是非常簡練的硬件描述，經(jīng)過 EDA 工具綜合處理，最終生成付諸生產(chǎn)的電路描述或版圖參數(shù)描述的工藝文件。最終 VHDL標準得到推廣、實施和普及。 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]。 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。 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。 圖 22 QuartusⅡ 設計流程 硬件語言介紹 圖形或 HDL 編輯 Analysisamp。 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(shù)提取以及編程下載幾個步驟。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。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(wǎng)表文件生成器和編輯數(shù)據(jù)接口等。此外， QuartusⅡ與 MATLAB 和 DSP Builder 結(jié)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(guān)鍵 EDA 工具。 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。 PTOS SOPC Builder GUI 可執(zhí)行代碼 軟件跟蹤， 硬件斷點 SignalTapⅡ 片上調(diào)試 驗證和調(diào)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。用戶代碼 自定義庫 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 測試平臺 QuartusⅡ 分析和適配 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 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(chǎn)品，其 界面友好，使用便捷。而這其中用到的主要工具是 Altera 公司的 QuartusⅡ和 NiosⅡ IDE。 IP 核模塊有行為、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)描述的固核(Firm IP Core )和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗證的硬核 (Hard IP Core )。半導體產(chǎn)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。 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(shù)直接向 ASIC 轉(zhuǎn)化，從而克服傳統(tǒng) ASIC 設計中普遍存在的問題。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。在第一種實現(xiàn)方案中，由于硬核是預先植入的，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)權(quán)費用導致成本的增加。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(jié)合，高效地實現(xiàn) SOPC。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(chǎn)權(quán)處理核的器件。 SOPC 技術(shù)是一門全新的綜合性電子設計技術(shù)，涉及面廣 。 SOPC 的設計技術(shù)是現(xiàn)代計算機輔助設計技術(shù)、 EDA 技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。先對各個模塊進行仿真，然后再對系統(tǒng)進行仿真。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。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)。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。首先介紹了 SOPC 技術(shù)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。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。這也是現(xiàn)在圖像處理領(lǐng)域的熱點問題之一。由于低層的圖像預處理算法處理的數(shù)據(jù)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(guān)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。使得圖像失真，并且難于壓縮、識別和理解。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。 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(shù)，由于近年來數(shù)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。目前正在形成一門新的藝術(shù) —— 計算機美術(shù)。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(shù)成功應用的例子 [6]。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(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。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。其中以圖像通信最為復雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)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。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(shù)。 （ 2）生物醫(yī)學工程方面數(shù)字圖像處理技術(shù)在生物醫(yī)學工程方面的應用十分廣泛，且很有成效?，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(diào)查、災害檢測、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。圖像在空中先處理（數(shù)字化編碼）成數(shù) 字信號存人磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)的應用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計模式分類和句法（結(jié)構(gòu)） 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(jīng)網(wǎng)絡模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)開始進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。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。因此，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步進行圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。圖像復原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應根據(jù)降質(zhì)過程建立 降質(zhì)模型 ，再采用某種濾波方法，恢復或重建原來的圖像。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。 (2) 圖像編碼壓縮 圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。 圖像處理主要研究的內(nèi)容有以下幾個方面： (1) 圖像變換 由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。其西南科技大學本科生畢業(yè)論文 2 中代表性的成果是 70 年代末 MIT 的 Marr 提出的 視覺計算理論，這個理論成為計算機視覺領(lǐng)域其后十多年的主導思想。人們已開始研究如何用計算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界，這被稱為圖像理解或計算機視覺。 與此同時，圖像處理技術(shù)在許多應用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就， 屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學工程、工業(yè)檢測、機器人視覺、公安司法、軍事制導、文化藝術(shù)等，使