CN102752483A - 基于fpga平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法，其中包括模板生成模块、数据分析模块、中值滤波模块、均值滤波模块和数据输出模块；模板生成模块包含四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4和一路数据输入，由数据输入引入的连续四帧视频图像数据存入四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4，形成5×5邻域模板；数据分析模块判断出噪声类型，并根据噪声类型将5×5邻域模板中的数据选择传输至相应的中值滤波模块或均值滤波模块，通过中值滤波模块抑制滤除椒盐噪声，或者通过均值滤波模块抑制滤除高斯噪声，本发明能够根据视频中存在的不同类型的噪声自动选择相应的滤波方式，对视频进行实时的降噪处理。

Description

基于FPGA平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法

技术领域

本发明涉及视频监控的技术领域，具体说是一种应用于实时视频降噪，可以有效滤除椒盐噪声或高斯噪声干扰的基于FPGA平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法。

背景技术

在图像传感器采集图像信号过程中混入的噪声主要是高斯噪声和椒盐噪声，其中高斯噪声成高斯分布，主要由阻性元器件内部产生，而椒盐噪声主要是图像切割引起的黑图像上的白点噪声或光电转换过程中产生泊松噪声。视频图像降噪的主要目标是滤除其中的噪声,同时尽可能保持好细节信息,并要求在降噪后的视频图像中减少由于滤波引入的视觉降质。

视频图像降噪技术不但能够滤除视频图像中的噪声、提高视频图像主观视觉质量,而且对于压缩编码、目标识别与跟踪、帧频提升等后续处理任务有重要意义。现行的视频图像降噪算法可以分为两类:早期的像素域降噪算法和近年来的转换域降噪算法。

根据滤波器的滤波范围,像素域降噪算法可以划分为时域滤波算法和空时滤波算法。时域滤波算法利用视频图像时域上的相关性以抑制噪声,通常基于运动估计/运动补偿方法获取时域预测;而空时滤波算法则是利用视频图像三维空间中的空时相关性滤除噪声。像素域降噪算法的主要缺点就是在降噪后的视频图像中容易引入时域降质、过平滑等空域降质,到目前为止还没有一种适合多种噪声级别的降噪算法。另外,像素域降噪算法中多采用运动估计获取时域上的相关信息,但噪声的存在容易影响运动估计的准确度,从而降低降噪性能。

中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术。其实现原理如下:将某个像素邻域中的像素按灰度值进行排序,然后选择该序列的中间值作为输出的像素值,让周围像素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接近的值,从而可以消除孤立的噪声点。

其具体的操作是:首先确定一个以某个像素为中心点的领域,一般为方形领域(如3 ×3、5 × 5的矩形领域),然后将领域中的各个像素的灰度值进行排序。

假设其排序为：                                                

，n为奇数，

，n为偶数，

取排好序的序列的中间值作Y为中心点像素灰度的新值,这里的邻域通常被称为窗口。当窗口在图像中上下左右进行移动后,利用中值滤波算法可以很好地对图像进行平滑处理。中值滤波对高斯噪声的抑制效果不明显，对去除椒盐噪声可以起到较好的效果。

均值滤波也称为线性滤波,其采用的主要方法为邻域平均法。其基本原理是用均值替代原图像中的各个像素值,即对待处理的当前像素点

,选择一个模板,该模板由其近邻的若干像素组成,求模板中所有像素的均值,再把该均值赋予当前像素点

,作为处理后图像在该点上的灰度,即

,其中,s为模板,M为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。均值滤波对高斯噪声的抑制是比较好的,处理后的图像边缘模糊较少，但对椒盐噪声的影响不大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于实时视频降噪，可以有效滤除椒盐噪声或高斯噪声干扰的基于FPGA平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:

本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统，包括模板生成模块、数据分析模块、中值滤波模块、均值滤波模块和数据输出模块；模板生成模块包含四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4和一路数据输入，由数据输入引入的连续四帧视频图像数据存入四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4，上述四帧视频图像数据与由数据输入引入的第五帧视频图像数据形成5×5邻域模板；模板生成模块与数据分析模块相连，而数据分析模块同时与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，将五帧连续视频图像数据构成的5×5邻域模板选择性发送至中值滤波模块或均值滤波模块；中值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块；均值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；数据输出模块分别与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，数据输出模块上设置一路数据输出，将中值滤波模块或均值滤波模块得出的视频图像数据向外输出。

本发明的基于FPGA平台的滤波降噪方法，包括以下步骤：

A、由数据输入向模板生成模块中引入第一帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入先入先出存储器FIFO4；当数据输入引入连续的第二帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第一帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3；当数据输入引入第三帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第二帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3，而同时第一帧视频图像数据被FIFO3释放并转存至FIFO2；继续引入视频图像数据，至前四帧视频图像数据依次储存于FIFO1至FIFO4；

B、由数据输入引入第五帧视频图像数据，此时FIFO1至FIFO4中存储的前四帧视频图像数据依次被释放，第五帧视频图像数据与四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4中所释放出的前四帧视频图像数据一同构成5×5邻域模板；

C、数据分析模块接收到由模板生成模块生成的5×5邻域模板，通过对5×5邻域模板中数据进行方差分析，选择性地将5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块或均值滤波模块；

D、当5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块时，中值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块，相反地，当5×5邻域模板中的数据发送至均值滤波模块时，均值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；

E、数据输出模块接收由中值滤波模块或均值滤波模块发送的由运算得出的相应数据，并将该数据通过一路数据输出对外进行数据输出，替换对应数据帧的原值；

F、继续引入新的视频图像数据，重复执行上述步骤A至E。

本发明具有的优点和积极效果是:

本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统及滤波降噪方法中，先通过模板生成模块生成某一数据帧周围的5×5邻域模板，通过数据分析模块判断出数据中的噪声类型，并根据噪声类型将5×5邻域模板中的数据选择传输至相应的中值滤波模块或均值滤波模块，通过中值滤波模块抑制滤除椒盐噪声，或者通过均值滤波模块抑制滤除高斯噪声，本发明能够根据视频中存在的不同类型的噪声自动选择相应的滤波方式，对视频进行实时的降噪处理。

附图说明

图1是本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统的数据流图；

图2是本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统的示意图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。

图1是本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统的数据流图；图2是本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统的示意图。

本发明的基于FPGA平台的滤波降噪系统，包括模板生成模块、数据分析模块、中值滤波模块、均值滤波模块和数据输出模块；模板生成模块包含四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4和一路数据输入，由数据输入引入的连续四帧视频图像数据存入四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4，上述四帧视频图像数据与由数据输入引入的第五帧视频图像数据形成5×5邻域模板；模板生成模块与数据分析模块相连，而数据分析模块同时与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，将五帧连续视频图像数据构成的5×5邻域模板选择性发送至中值滤波模块或均值滤波模块；中值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块；均值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；数据输出模块分别与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，数据输出模块上设置一路数据输出，将中值滤波模块或均值滤波模块得出的视频图像数据向外输出。

本发明的基于FPGA平台的滤波降噪方法，包括以下步骤：

A、由数据输入向模板生成模块中引入第一帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入先入先出存储器FIFO4；当数据输入引入连续的第二帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第一帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3；当数据输入引入第三帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第二帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3，而同时第一帧视频图像数据被FIFO3释放并转存至FIFO2；继续引入视频图像数据，至前四帧视频图像数据依次储存于FIFO1至FIFO4；

B、由数据输入引入第五帧视频图像数据，此时FIFO1至FIFO4中存储的前四帧视频图像数据依次被释放，第五帧视频图像数据与四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4中所释放出的前四帧视频图像数据一同构成5×5邻域模板；

C、数据分析模块接收到由模板生成模块生成的5×5邻域模板，通过对5×5邻域模板中数据进行方差分析，选择性地将5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块或均值滤波模块；

D、当5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块时，中值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块，相反地，当5×5邻域模板中的数据发送至均值滤波模块时，均值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；

E、数据输出模块接收由中值滤波模块或均值滤波模块发送的由运算得出的相应数据，并将该数据通过一路数据输出对外进行数据输出，替换对应数据帧的原值；

F、继续引入新的视频图像数据，重复执行上述步骤A至E。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于FPGA平台的滤波降噪系统，其特征在于：包括模板生成模块、数据分析模块、中值滤波模块、均值滤波模块和数据输出模块；模板生成模块包含四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4和一路数据输入，由数据输入引入的连续四帧视频图像数据存入四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4，上述四帧视频图像数据与由数据输入引入的第五帧视频图像数据形成5×5邻域模板；模板生成模块与数据分析模块相连，而数据分析模块同时与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，将五帧连续视频图像数据构成的5×5邻域模板选择性发送至中值滤波模块或均值滤波模块；中值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块；均值滤波模块计算由模板生成模块生成的5×5邻域模板中所有数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；数据输出模块分别与中值滤波模块和均值滤波模块相连接，数据输出模块上设置一路数据输出，将中值滤波模块或均值滤波模块得出的视频图像数据向外输出。

2.一种基于权利要求1所述的基于FPGA平台的滤波降噪系统的滤波降噪方法，包括以下步骤：

A、由数据输入向模板生成模块中引入第一帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入先入先出存储器FIFO4；当数据输入引入连续的第二帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第一帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3；当数据输入引入第三帧视频图像数据，并将此帧视频图像数据存入FIFO4时，原来存储在FIFO4中的第二帧视频图像数据被FIFO4释放并转存至FIFO3，而同时第一帧视频图像数据被FIFO3释放并转存至FIFO2；继续引入视频图像数据，至前四帧视频图像数据依次储存于FIFO1至FIFO4；

B、由数据输入引入第五帧视频图像数据，此时FIFO1至FIFO4中存储的前四帧视频图像数据依次被释放，第五帧视频图像数据与四路先入先出存储器FIFO1至FIFO4中所释放出的前四帧视频图像数据一同构成5×5邻域模板；

C、数据分析模块接收到由模板生成模块生成的5×5邻域模板，通过对5×5邻域模板中数据进行方差分析，选择性地将5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块或均值滤波模块；

D、当5×5邻域模板中的数据发送至中值滤波模块时，中值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的中值，并将上述中值发送至数据输出模块，相反地，当5×5邻域模板中的数据发送至均值滤波模块时，均值滤波模块计算出由模板生成模块生成的5×5邻域模板中25个数据的均值，并将上述均值发送至数据输出模块；

E、数据输出模块接收由中值滤波模块或均值滤波模块发送的由运算得出的相应数据，并将该数据通过一路数据输出对外进行数据输出，替换对应数据帧的原值；

F、继续引入新的视频图像数据，重复执行上述步骤A至E。

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