FPGA學習筆記

圖像處理算法

1. 中值濾波算法1.1 原理1.2 FPGA實現中值濾波算法 2. 應用MATLAB給圖片加椒鹽噪聲 3. 項目結果

1. 中值濾波算法

1.1 原理

• 將每一像素點的灰度值設置為該點的某領域窗口內的所有像素點灰度值的中值。
• 特點：有效抑制噪聲，保護圖像邊緣信息，是經典的平滑噪聲方法，可用作處理RGB圖像格式。

方法：

將數據按大小排序，然后根據有序的數字序列找中值，排序算法：冒泡排序，二等分排序等軟件算法，適合硬件的排序算法比較少。

• 分別對三行像素進行排序
• 分別對三行像素中的3個最大，3個中間，3個最小分別進行排序
• 對最大的最小，中間的中間，最小的最大進行排序得到中值

1.2 FPGA實現中值濾波算法

• 項目目標：
  將椒鹽噪聲圖片，通過中值濾波算法，進行去噪處理，并通過FPGA顯示到TFT顯示屏上。
  

• 項目工具：
  ① 硬件：Intel Cyclone IV E系列FPGA開發板，5寸（800*480）TFT電容觸摸顯示屏；
  ② 軟件：Quartus軟件，Picture2Hex軟件，MATLAB；

• 項目組成模塊：
  ① pll: 產生項目所需時鐘：1. SDRAM控制器時鐘；2. SDRAM時鐘信號；3. TFT屏控制器時鐘
  ② uart串口協議（uart_rx, uart_tx）
  ③ 讀FIFO
  ④ 寫FIFO
  ⑤ SDRAM控制模塊
  ⑥ TFT屏控制模塊
  ⑦ 中值濾波模塊

• Verilog代碼

/* 1. 分別對三行像素進行排序 2. 分別對三行像素中：3個最大值，3個中間值，3個最小值，進行排序 3. 對：3最大值中的最小值，3個中間值中的中間值，3個最小值中的最大值，進行排序，得到中值 */module median_filter_r0(input clk, //33MHZinput rst_n,input [15:0] data_in, //灰度像素輸入input data_in_en,//lcd顯示有效區使能信號input hs_in,//行同步信號輸入input vs_in,//場同步信號輸入output wire [15:0] data_out,//中值處理后灰度像素輸出output wire data_out_en,output wire hs_out,//行同步信號輸出output wire vs_out//場同步信號輸出 ); //----timing declaration----reg hs_reg0;reg hs_reg1;reg hs_reg2;reg vs_reg0;reg vs_reg1;reg vs_reg2;reg de_reg0;reg de_reg1;reg de_reg2;//----pipeline declaration---- wire [15:0] row0;wire [15:0] row1;wire [15:0] row2;reg [15:0] r0_c0;reg [15:0] r0_c1;reg [15:0] r0_c2;reg [15:0] r1_c0;reg [15:0] r1_c1;reg [15:0] r1_c2;reg [15:0] r2_c0;reg [15:0] r2_c1;reg [15:0] r2_c2;reg [15:0] r0_max;reg [15:0] r0_mid;reg [15:0] r0_min;reg [15:0] r1_max;reg [15:0] r1_mid;reg [15:0] r1_min;reg [15:0] r2_max;reg [15:0] r2_mid;reg [15:0] r2_min;reg [15:0] max_max;reg [15:0] max_mid;reg [15:0] max_min;reg [15:0] mid_max;reg [15:0] mid_mid;reg [15:0] mid_min;reg [15:0] min_max;reg [15:0] min_mid;reg [15:0] min_min;reg [15:0] mid;//-------------------------------------------------- //----3行像素緩存--------------------------//shifter3_3 shifter3_3(.clken(data_in_en),.clock(clk),.shiftin(data_in),.shiftout(),.taps0x(row0),.taps1x(row1),.taps2x(row2));//----timing control-----------------------//always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginhs_reg0 <= 1'd0;hs_reg1 <= 1'd0;hs_reg2 <= 1'd0;vs_reg0 <= 1'd0;vs_reg1 <= 1'd0;vs_reg2 <= 1'd0;de_reg0 <= 1'd0;de_reg1 <= 1'd0;de_reg2 <= 1'd0;endelse if(data_in_en)beginhs_reg0 <= hs_in;hs_reg1 <= hs_reg0;hs_reg2 <= hs_reg1;vs_reg0 <= vs_in;vs_reg1 <= vs_reg0;vs_reg2 <= vs_reg1;de_reg0 <= data_in_en;de_reg1 <= de_reg0;de_reg2 <= de_reg1;endend //-----------------------------------------////----pipeline-----------------------------// //----3*3 matix from imagealways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginr0_c0 <= 16'd0;r0_c1 <= 16'd0;r0_c2 <= 16'd0;r1_c0 <= 16'd0;r1_c1 <= 16'd0;r1_c2 <= 16'd0;r2_c0 <= 16'd0;r2_c1 <= 16'd0;r2_c2 <= 16'd0; end else if(data_in_en)beginr0_c0 <= row0;r0_c1 <= r0_c0;r0_c2 <= r0_c1;r1_c0 <= row1;r1_c1 <= r1_c0;r1_c2 <= r1_c1;r2_c0 <= row2;r2_c1 <= r2_c0;r2_c2 <= r2_c1;end end //------------------------------------------------------------------ //----1.分別對三行像素進行排序r0_max, r10_max,r2_max //----r0------------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginr0_max <= 16'd0;r0_mid <= 16'd0;r0_min <= 16'd0; end else if(data_in_en)beginif((r0_c0>=r0_c1)&&(r0_c0>=r0_c2))begin//r0_max <= r0_c0r0_max <= r0_c0;if(r0_c1>=r0_c2)beginr0_mid <= r0_c1;r0_min <= r0_c2; endelse beginr0_mid <= r0_c2;r0_min <= r0_c1; endendelse if((r0_c1>=r0_c0)&&(r0_c1>=r0_c2))begin//r0_max <= r0_c1;r0_max <= r0_c1;if(r0_c0>=r0_c2)beginr0_mid <= r0_c0;r0_min <= r0_c2; endelse beginr0_mid <= r0_c2;r0_min <= r0_c0; endendelse if((r0_c2>=r0_c0)&&(r0_c2>=r0_c1))begin//r0_max <= r0_c2;r0_max <= r0_c2;if(r0_c0>=r0_c1)beginr0_mid <= r0_c0;r0_min <= r0_c1; endelse beginr0_mid <= r0_c1;r0_min <= r0_c0; endendendend //----r1--------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginr1_max <= 16'd0;r1_mid <= 16'd0;r1_min <= 16'd0; end else if(data_in_en)beginif((r1_c0>=r1_c1)&&(r1_c0>=r1_c2))begin//r0_max <= r0_c0r1_max <= r1_c0;if(r1_c1>=r1_c2)beginr1_mid <= r1_c1;r1_min <= r1_c2; endelse beginr1_mid <= r1_c2;r1_min <= r1_c1; endendelse if((r1_c1>=r1_c0)&&(r1_c1>=r1_c2))begin//r0_max <= r0_c1;r1_max <= r1_c1;if(r1_c0>=r1_c2)beginr1_mid <= r1_c0;r1_min <= r1_c2; endelse beginr1_mid <= r1_c2;r1_min <= r1_c0; endendelse if((r1_c2>=r1_c0)&&(r1_c2>=r1_c1))begin//r0_max <= r0_c2;r1_max <= r1_c2;if(r1_c0>=r1_c1)beginr1_mid <= r1_c0;r1_min <= r1_c1; endelse beginr1_mid <= r1_c1;r1_min <= r1_c0; endendendend //----r2--------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginr2_max <= 16'd0;r2_mid <= 16'd0;r2_min <= 16'd0; end else if(data_in_en)beginif((r2_c0>=r2_c1)&&(r2_c0>=r2_c2))begin//r0_max <= r0_c0r2_max <= r2_c0;if(r2_c1>=r2_c2)beginr2_mid <= r2_c1;r2_min <= r2_c2; endelse beginr2_mid <= r2_c2;r2_min <= r2_c1; endendelse if((r2_c1>=r2_c0)&&(r2_c1>=r2_c2))begin//r0_max <= r0_c1;r2_max <= r2_c1;if(r2_c0>=r2_c2)beginr2_mid <= r2_c0;r2_min <= r2_c2; endelse beginr2_mid <= r2_c2;r2_min <= r2_c0; endendelse if((r2_c2>=r2_c0)&&(r2_c2>=r2_c1))begin//r0_max <= r0_c2;r2_max <= r2_c2;if(r2_c0>=r2_c1)beginr2_mid <= r2_c0;r2_min <= r2_c1; endelse beginr2_mid <= r2_c1;r2_min <= r2_c0; endendendend //-------------------------------------------------------------------- //----2. 分別對三行像素中：3個最大值，3個中間值，3個最小值，進行排序 //----3個最大值------------------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginmax_max <= 16'd0;max_mid <= 16'd0;max_min <= 16'd0; endelse if(data_in_en)beginif((r0_max >= r1_max)&&(r0_max >= r2_max))begin//max_max <= r0_maxmax_max <= r0_max;if((r1_max >= r2_max))beginmax_mid <= r1_max;max_min <= r2_max; end else beginmax_mid <= r2_max;max_min <= r1_max; end endelse if((r1_max >= r0_max)&&(r1_max >= r2_max))begin//max_max <= r1_max;max_max <= r1_max;if((r0_max >= r2_max))beginmax_mid <= r0_max;max_min <= r2_max; end else beginmax_mid <= r2_max;max_min <= r0_max; end endelse if((r2_max >= r0_max)&&(r2_max >= r1_max))begin//max_max <= r2_max;max_max <= r2_max;if((r0_max >= r1_max))beginmax_mid <= r0_max;max_min <= r1_max; end else beginmax_mid <= r1_max;max_min <= r0_max; end endendend //----3個中間值------------------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginmid_max <= 16'd0;mid_mid <= 16'd0;mid_min <= 16'd0; endelse if(data_in_en)beginif((r0_mid >= r1_mid)&&(r0_mid >= r2_mid))begin//mid_max <= r0_midmid_max <= r0_mid;if((r1_mid >= r2_mid))beginmid_mid <= r1_mid;mid_min <= r2_mid; end else beginmid_mid <= r2_mid;mid_min <= r1_mid; end endelse if((r1_mid >= r0_mid)&&(r1_mid >= r2_mid))begin//mid_max <= r1_mid;mid_max <= r1_mid;if((r0_mid >= r2_mid))beginmid_mid <= r0_mid;mid_min <= r2_mid; end else beginmid_mid <= r2_mid;mid_min <= r0_mid; end endelse if((r2_mid >= r0_mid)&&(r2_mid >= r1_mid))begin//mid_max <= r2_mid;mid_max <= r2_mid;if((r0_mid >= r1_mid))beginmid_mid <= r0_mid;mid_min <= r1_mid; end else beginmid_mid <= r1_mid;mid_min <= r0_mid; end endendend//----3個最小值------------------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginmin_max <= 16'd0;min_mid <= 16'd0;min_min <= 16'd0; endelse if(data_in_en)beginif((r0_min >= r1_min)&&(r0_min >= r2_min))begin//min_max <= r0_minmin_max <= r0_min;if((r1_min >= r2_min))beginmin_mid <= r1_min;min_min <= r2_min; end else beginmin_mid <= r2_min;min_min <= r1_min; end endelse if((r1_min >= r0_min)&&(r1_min >= r2_min))begin//min_max <= r1_min;min_max <= r1_min;if((r0_min >= r2_min))beginmin_mid <= r0_min;min_min <= r2_min; end else beginmin_mid <= r2_min;min_min <= r0_min; end endelse if((r2_min >= r0_min)&&(r2_min >= r1_min))begin//min_max <= r2_min;min_max <= r2_min;if((r0_min >= r1_min))beginmin_mid <= r0_min;min_min <= r1_min; end else beginmin_mid <= r1_min;min_min <= r0_min; end endendend //--------------------------------------------------------------------------------- //----3. 對：3個最大值中的最小值，3個中間值中的中間值，3個最小值中的最大值，進行排序，得到中值always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)mid <= 16'd0; else if(data_in_en)beginif(((max_min >= mid_mid)&&(max_min < min_max))||((max_min < mid_mid)&&(max_min >= min_max)) )//mid <= max_min;mid <= max_min;else if(((mid_mid >= max_min)&&(mid_mid < min_max))||((mid_mid < max_min)&&(mid_mid >= min_max)) )//mid <= mid_mid;mid <= mid_mid;else if(((min_max >= max_min)&&(min_max < mid_mid))||((min_max < max_min)&&(min_max >= mid_mid)) )//mid <= min_max;mid <= min_max;else;end else;end //----result-------------------------------------------------------------------------assign data_out = mid;assign data_out_en = de_reg2;assign hs_out = hs_reg2;assign vs_out = vs_reg2; //----------------------------------------------------------------------------------- endmodule

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2. 應用MATLAB給圖片加椒鹽噪聲：

• MATLAB代碼

close all;clear all;clc;%清除L = imread('C:\Users\GloriaHuo\Desktop\0001.jpg'); % 在指定路徑讀取圖像 J = imnoise(L,'salt & pepper', 0.1); %Salt&pepper 噪聲密度=0.1figure(1); imshow(L); % 顯示原圖 figure(2); imshow(J); %立即彈出窗口，顯示加了加椒鹽噪聲后的圖片 hold on;imwrite(J,'C:\Users\GloriaHuo\Desktop\0001_saltpepper.jpg');%把加入噪聲的圖像保存起來

• 1. 原圖像
  
• 2. 加入椒鹽噪聲圖像
  

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3. 項目結果

5寸TFT電容觸摸顯示屏
圖像：800*480像素

(1). （易烊千璽^^）網絡原圖：

(2). FPGA顯示原圖：

(3). 加入椒鹽噪聲圖：

• Salt&pepper 噪聲密度=0.1
  
  (4). FPGA中值濾波處理圖：

• Salt&pepper 噪聲密度=0.1
  
  項目結果分析：

• 對比圖3與圖4可以發現，中值濾波算法可以有效地去除椒鹽噪聲；

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參考資料：《FPGA系統設計與驗證實戰指南》
【注】：個人學習筆記，如有錯誤，望不吝賜教，這廂有禮了~~~

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的FPGA学习笔记_图像处理3_FPGA实现中值滤波算法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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