【正文】 面圖像處理和識(shí)別主要用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲(chǔ)和顯示的軍事自動(dòng)化指揮系統(tǒng)和模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等；公安方面主要用于指紋識(shí)別、人臉鑒別、不完整圖片的復(fù)原以及交通監(jiān)控、事故分析等。 （ 6）文化藝術(shù)方面的應(yīng)用 目前這類應(yīng)用有電視畫面的數(shù)字編輯、動(dòng)畫的制作、電子圖像游戲、紡織工藝品設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)與制作、發(fā)型設(shè)計(jì)、文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)、運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作分析和評(píng)分等等。 （ 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。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。因而破壞了圖像像素間的結(jié)構(gòu)、紋理、內(nèi)容等方面的相關(guān)性。因此，在大多數(shù)圖像應(yīng)用場(chǎng)合都需要降低圖像中的噪聲，使圖像恢復(fù)本來的面目。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。 論文的主要內(nèi)容 全文的主要內(nèi)容共分為六章，分別為： 第一章 緒論。 第二章 SOPC 技術(shù)介紹。 第三章 方案介紹、比較及選擇。 第四章 中值濾波的硬件實(shí)現(xiàn)。 第五章 在 SOPC 中建立系統(tǒng)。 第六章 功能模塊與系統(tǒng)的仿真。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 第 2 章 SOPC 技術(shù)介紹 SOPC 技術(shù)簡(jiǎn)介及實(shí)現(xiàn)方式 SOPC 技術(shù)簡(jiǎn)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 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。 SOPC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方式 SOPC 技術(shù)實(shí)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)。 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。 (2) 基于 FPGA 嵌入 IP 軟核的 SOPC 系統(tǒng)。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。 (3)基于 HardCopy 技術(shù)的 SOPC 系統(tǒng)。 從 SOPC 實(shí)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(shè)計(jì)及 IP 核的復(fù)用成為 SOPC 技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。在 SOPC 設(shè)計(jì)中每一個(gè)組件都是一個(gè) IP 核。 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(yīng)用程序運(yùn)行的平臺(tái)；軟件開發(fā)主要是根據(jù)系統(tǒng)應(yīng) 用的需要，利用 C/C++語言和系統(tǒng)所帶的API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口 )函數(shù)編寫實(shí)現(xiàn)特定功能的程序。 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(yīng)商之一。它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。 HDL 源文件 用戶代碼 C 頭文件 外設(shè)驅(qū)動(dòng) 編譯、鏈接、調(diào)試 庫(kù) 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。同樣， QuartusⅡ具備仿真功能，同時(shí)也支持第三方的仿真工具，如 ModelSim。 QuartusⅡ包括模塊化的編譯器。可以通過 Start Compilating 來運(yùn)行所有的編譯器模塊，也可以通過選擇 Start 單獨(dú)運(yùn)行各個(gè)模塊。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。在圖 (22)中，下面一排的流程框圖， 是與上面的 QuartusⅡ設(shè)計(jì)流程相對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)的 EDA 開發(fā)流程。Synthesis (分析與綜合 ) Filter (適配器 ) Assembler (編程文件匯編 ) 編程器 設(shè)計(jì)輸入 綜合或編譯 適配器件 下載 仿真 Timing Analyzer (時(shí)序分析器 ) 西南科技大學(xué)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(jié)構(gòu)描述、數(shù)據(jù)流描述的語言。 下面簡(jiǎn)要介紹 VHDL 硬件描述語言。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言，以期望 VHDL 功 能強(qiáng)大、嚴(yán)格、可讀性好。 1993年 VHDL 重 新修訂，形成了新的標(biāo)準(zhǔn)，即 IEEE STD 1076— 1993[LRM93]。 VHDL 語言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，所以用 VHDL 語言作為硬件模型建模很合適。整個(gè)過程通過 EDA 工具自動(dòng)完成，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了出錯(cuò)機(jī)會(huì)。 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。重復(fù)利用他人的 IP 模塊和軟核 （ soft core） 是 VHDL 的 特色，許多設(shè)計(jì)不必個(gè)個(gè)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(dá)到事半功倍的效果。 簡(jiǎn)單的實(shí)體是由實(shí)體和結(jié)構(gòu)體兩部分組成的。設(shè)計(jì)實(shí)體是 VHDL 程序的基本單元，是電子系統(tǒng)的抽象。實(shí)體由實(shí)體說明和結(jié)構(gòu)體說明兩部分組成。用 VHDL 語言描述結(jié)構(gòu)體有 3 種方法：行為描述法、數(shù)據(jù)流描述法和結(jié)構(gòu)化描述法。行為描述在 EDA 工程中稱為高層次描述或高級(jí)描述。結(jié)構(gòu)化描述法適用于層次化設(shè)計(jì)，對(duì)于一個(gè)復(fù)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(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)。結(jié)構(gòu)化描述不僅是一個(gè)設(shè)計(jì)方法，而且是一種設(shè)計(jì)思想?？沼蚍治龇ň褪菍?duì)圖像矩陣進(jìn)行處理；頻域分析法是通過圖像變換將圖像從空域變換西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 到頻域，從另一個(gè)角度來分析圖像的特征并進(jìn)行處理。常有的降噪方法主要可以分為線性濾波技術(shù)和非性濾波技術(shù)。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。非線性濾波方法主要是中值濾波，主要針對(duì)椒鹽噪聲，也被用來去除諸如誤碼和衛(wèi)星“閃點(diǎn)”等脈沖噪聲?，F(xiàn)在圖像變換是我們對(duì)圖像進(jìn)行處理的另一個(gè)思維方向。我們選擇了較具有代表性的算法來分析，在總結(jié)現(xiàn)有多種算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)并提出了自己的算法，以達(dá)到降噪質(zhì)量的提高。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。均值濾波的實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但這種方法存在產(chǎn)生模糊邊緣，而且也沒有利用到像素之間的相關(guān)信息等缺點(diǎn)。改進(jìn)后的均值濾 波思想是：首先進(jìn)行邊緣保護(hù)，判斷該點(diǎn)是否是邊緣，如果是邊緣點(diǎn)則保護(hù)起來；不是邊緣點(diǎn)就繼續(xù)向下執(zhí)行，進(jìn)行噪聲檢測(cè)，西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 然后根據(jù)噪聲等級(jí)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)降噪。 維納濾波 維納濾波是一種自適應(yīng)的線性濾波方法，它是用來解決從噪聲中提取信號(hào)問題的一種過濾的方法，它能根據(jù)圖像的局部方差調(diào)整濾波器的輸出，它的最終目標(biāo)是使恢復(fù)圖像 f(x， y)與原始圖像 f(x， y)的均方誤差最小。中值的定義如下：一組數(shù) 12, ,..., nx x x 把 n 個(gè)數(shù)按照值的大小順序排列如下： 12, ,...,i i inx x x },......,{ 21 nxxxM e dy ? ??????? ??為偶數(shù)為奇數(shù)nxxnxninini][21 1)2/()2/(2/)1( (33) 在式 (33)中 y 為該序列的中值。對(duì)于二維中值濾波，可利用某種形式的二維窗口，如：方形、圓形、十字形等。所以要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。 在小波系數(shù)進(jìn)行取舍之前，實(shí)際上按照一定準(zhǔn)則 (或者閾值化 )將小波系數(shù)劃分為兩類：一類是重要的、規(guī)則的小波系數(shù)；另一類是被看作非重要的或者受噪聲干擾較大的小波系數(shù)。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。 對(duì)于“軟閾值化”，絕對(duì)值小于閾值 ? 的小波系數(shù)數(shù)值用零代替；絕對(duì)值大于閾值 ? 的小波系數(shù)數(shù)值用 ? 來縮減。對(duì)于“硬閾值化”，僅僅保留絕對(duì)值大于閾值 ? 的小波系數(shù)，并且被保留系數(shù)與系數(shù)相同 (沒有被縮減 )，如式 (37)所示： ??????????? WWWW,0 (37) 閾值化處理的關(guān)鍵在于選擇合適的閾值 ? 。 基于圖像銳化和平滑的濾波技術(shù) 圖像平滑往往使圖像中的邊界、輪廓變得模糊，為了減少這種不利效果的影響，我們對(duì)濾波技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，利用到了圖像銳化技術(shù)，使圖像的邊緣變得更清晰。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。該濾波結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)參數(shù)分別調(diào)整 LUM 濾波器的平滑和銳化程度，從而實(shí)現(xiàn)不同功能，因此該濾波器具有通用性且易于實(shí)現(xiàn)。 LUM 平滑器 LUM 平滑器是 LUM 濾波器的一個(gè)子濾波結(jié)構(gòu)，主要用于平滑圖像。從定義可知。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。因此，可根據(jù)圖像的不同特點(diǎn)及不同濾波目的，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié) k 值以獲得不同的濾波效果。具有參數(shù) l 的 LUM 銳化器的輸出 *y 的定義如下： ? ? ? ?? ? ? ?***11*llllN l N lx x x ty x t x xx? ? ? ?? ????? ? ?????如 果 如 果 其 他 (311) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 其中 ? ? ? ?? ? 2/1???? lNll xxt 。由于 LUM 銳化器的邊緣增強(qiáng)的同時(shí)不會(huì)擴(kuò)大背景噪聲，也不會(huì)誤刪除小的信號(hào)，因此是一個(gè)較好的保留細(xì)節(jié)和增強(qiáng)邊緣的濾波器。這樣 LUM 濾波器的定義如下： ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?????????????????????????o t h er sxxxxxxtxtxxxxxxykNkNlNllNlllkk**111*1*** (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。 4 點(diǎn)窗口鄰域均值濾波由于取的鄰域較小，濾除效果不是很好，仍有不少噪聲殘留，但圖像模糊程度卻是較小的。所以用 3 3 的中值濾波窗口就能在圖像模糊程度不大的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的濾除。中值濾波能