基于FPGA的实时中值滤波器硬件实现

2.1 分块存储方法和并行运算结构
如图4，以256×256大小的图像为例，将其划分为8个256行32列的图像块，中值滤波运算就是按照块的顺序，对每块图像从上到下进行[5]。每一次存储体访问读出一行邻域后，通过流水线队列即可形成n×32的邻域，对于中值滤波算法n为3。为了最大化地提高图像处理速度，采取了32个3×3邻域的并行计算。但是构造32个3×3邻域，需要额外增加2列数据，组成3行34列的运算矩阵。这额外的2列数据正是前一图像块的最右端的2列，为了后续运算的需要，已经保存在RAMa或RAMb中了。RAMa、RAMb的作用是实现乒乓RAM操作，例如向RAMa中写当前图像块的最右端2列时，处理单元同时从RAMb中取出前一个图像块的最右端2列数据参与运算。运算单元架构如图5，这样每一次并行计算就得到了32个8 bit的结果，对应32个结果像素，即图5中的result为256 bit。

2.2 FIFO缓存
共享RAM芯片采用了Cypress公司的CY7C1380，这是一款32 bit位宽、2 MB容量的同步SRAM。因为系统采用流水线结构，一个clk即可产生256 bit的结果，需要写入到32 bit的SRAM，如果不加入缓冲器，必定会有结果数据的丢失，为此，加入一个FIFO，将256 bit结果分8次写入共享RAM，每次写32 bit，这样，FIFO完成了写快读慢的缓冲过程。FIFO的深度取决于需要缓冲的数据量，缓冲的数据量取决于写速率和读速率，见式(1)。

3 FPGA实验结果
图6（a）是从高清摄像机随机采得的带噪图像，从图6（b）可看出本文设计的针对大图像（1 920×1 080）的中值滤波器有较好的去噪效果。

整个电路结构采用Verilog编写，该中值滤波器能达到的最大工作频率为60 MHz，该中值滤波器对如图6所示的1 920×1 080灰度图执行中值滤波的时间约为10 ms，这个速度要比实时快4倍。为了突出本文设计的中值滤波器的性能，本文采用512×512的灰度图做实验。将本文设计的中值滤波器与文献[1]、[3]设计的中值滤波器的性能比较，可以看出，本文设计的中值滤波器的处理速度约为文献[1]方法的8倍，约为文献[3]方法的20倍，如表1所示。
本文针对NIPC-3的特点，用适合并行处理的存储方法，成功实现了1 920×1 080大小图像的实时中值滤波系统。该系统有较好的去噪效果，同时在速度上完全满足实时需要，是一个高速且完整的系统。该系统可以用于高清视频图像的预处理，有很大的实用价值。
参考文献
[1] 石婷，张红雨，黄自立.基于Stratix II EP2S60的改进中值滤波器的设计实现[J].国外电子元器件，2007(1)：12-15.
[2] 徐大鹏，李从善.基于FPGA的数字图像中值滤波器设计[J].电子器件，2006，29(4)：1114-1117.
[3] 苏光大.实时中值滤波器的实现[J].电视技术，1999(5)：25-27.
[4] 苏光大.邻域图像处理机中的新型邻域功能流水线结构[J].电子学报，2000，27(2)：1-4.
[5] 刘炯鑫.NIPC-3邻域图像并行处理机的软件设计[D].清华大学电子工程系，2007.