基于FPGA的图像滤波硬件电路设计与实现开题报告

全文总字数：5615字

1. 研究目的与意义（文献综述）

一．课题研究背景

随着近代科学技术的发展，人们通过图像信息来进行科学研究、生产加工、交通及社会治安管理、军工产业发展、临床医疗研究、考古研究及天文研究等，为人类社会的发展奠定了坚实的基础^[1]。从1960年的像素型光栅扫描显示的初始期，到1990年代开始的应用期。图像处理技术一直在不断的进步发展，直至开始应用。但同时，随着技术的发展，人们对计算机视频应用的质量要求越来越高。从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向。为了得到人们需要的信息，将图像进行滤波、均衡、变换、压缩、去噪等处理，即为数字信号处理技术^[1]。国际上，实时图像的研究从60年代开始。在数字图象处理技术方面最有名气的是喷气推进实验室、麻省理工学院、贝尔实验室、马里兰大学等一些研究机构，他们开发设计许多数字图像处理技术并应用于卫星图像、导线照片标准转换、医学成像、可视电话、字符识别和照片增强等方面^[2]。

由于实时图像处理的数据量大，数据处理相关性高，实时应用环境决定严格的帧、场时间限制，因此实时图像处理系统系统必须具有强大的运算能力。从图像处理技术的发展来看，实时性在实际中有着广泛的应用。实时图像处理系统设计的难点是如何在有限的时间内完成大量图像数据的处理。

在实时图像采集中，不可避免的会引入噪声，尤其是干扰噪声和椒盐噪声，噪声的存在严重影响边缘检测的效果。因此，对于一个比较好的图像处理系统，都把减少噪声作为主攻目标。比如，在医学上，通过对实时图像去噪，会使得患者所照的照片更加清晰，使得医生在判断病情时能够更加快速、更准确。常用的滤波算法包括：均值滤波、中值滤波、双边滤波。而用一般的软件实现处理速度较慢，跟不上实时性的要求。当应用程序需要实时处理时，如视频或电视信号处理或机器人机械手的实时轨迹生成，这些规范非常严格，在硬件实现时更能满足要求^[3]。因此我们可以利用pc、fpga、dsp等硬件实现。由于fpga可编程的灵活性，以及并行性。非常适合于进行图像处理的预处理。能够使比较简单的算法有非常高的处理速度。特别是近年来，fpga 发展迅速，在图像的压缩、拼接、分割、融合以及视频像的实时处理等方面，有了较大的发展，尤其在提高计算速度上。fpga 为数字图像处理带来了新的变革，特别是采用并行算法，它的灵活的可编程系统结构也不同于以前处理数字图像^[4]。在图像处理过程中利用 fpga 的逻辑并行性，单独对像像素建立算法模块，在算法复杂度不高的情况下可以显著加速图像处理速度^[5]。一种更有效的方法是使用基于fpga 的动态可重构电路（drc）结构进行图像滤波，因为这不需要任何先验的噪声特性知识。在基于fpga的实现中，解码器的计算和存储需求被最小化，以支持更快的性能^[6]。

2. 研究的基本内容与方案

三、研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

3.1研究的基本内容、目标

本课题是对于图像处理，在实际过程中不可避免有许多噪声，同时也有许多滤波算法，选择一种图像滤波算法，基于fpga平台，通过fpga硬件可编程，重构出一种适用于该滤波算法的硬件电路，并通过该硬件电路，实现对图像的滤波功能。

主要目标是能够将滤波算法通过fpga硬件电路设计出来，在大幅提高图像处理的速度下，能够有效去除图像中的噪声，提高图像的视感质量。

3.2拟采用的技术方案及措施。

对于fpga来说，利用verilog进行编程。主要将图像转换成rgb颜色空间后，用fpga进行滤波处理。选择一种滤波算法，拟采用中值滤波算法，效果比较好。中值滤波算法有许多改进算法，比如加权中值滤波、自适应中值滤波。本文拟选择一种适合在fpga上实现的中值滤波算法。确定一个3×3模板，使其通过图像数据的行或列方向逐像素滑动。通过6个移位寄存器和两个fifo串行连接，图像数据通过时钟节拍从数据输入端依次输入，用一个fifo和两个移位寄存器来存储一行的数据，当数据流不断从数据输入端输入，3×3模板对应的图像数据不断变化，这就可以对一帧图像所有像素进行处理。

3. 研究计划与安排

四．进度安排

（1） 2020/1/13—2020/2/28：阅读相关文献，确定选题，完成开题报告；

（2） 2020/3/1—2020/3/15：继续阅读文献，翻译英文文献，学习图像处理相关滤波算法的实现

（3） 2020/3/16—2020/4/25： 学习verilog对fpga编程，了解相关器件功能及使用方法，掌握fpga开发，结合fpga资源和特性，设计硬件加速方案；进行代码的编写，并进行仿真.

4. 参考文献（12篇以上）

五．参考文献

[1]安丛姝.关于图像处理技术现状及发展的分析[j].科技资讯,2018,16(25):72-73.

[2] 马启周.数字图像处理技术的发展现状及趋势[j].电脑迷,2018(11):183.

[3] wang,c., zhu, s. (2015). a design of fpga-based system for image processing. in the well-testing interpretation software, how tocalculate the formation parameters in the log-log coordinate system in thewell-testing interpretation model of fractured vertical well.. liu bo-tao 4, 3(1), 7.