1系統(tǒng)概述

如圖所示，這是整個(gè)視頻采集系統(tǒng)的原理框圖。上電初始，FPGA需要通過(guò)IIC接口對(duì)CMOS Sensor進(jìn)行寄存器初始化配置。這些初始化的基本參數(shù)，即初始化地址對(duì)應(yīng)的初始化數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)預(yù)先配置好的FPGA片內(nèi)ROM中。在初始化配置完成后，CMOS Sensor就能夠持續(xù)輸出標(biāo)準(zhǔn)RGB的視頻數(shù)據(jù)流，F(xiàn)PGA通過(guò)對(duì)其同步信號(hào)，如時(shí)鐘、行頻和場(chǎng)頻進(jìn)行檢測(cè)，從而從數(shù)據(jù)總線(xiàn)上實(shí)時(shí)的采集圖像數(shù)據(jù)。MT9V034攝像頭默認(rèn)初始化數(shù)據(jù)就能輸出正常的視頻流，因此FPGA中實(shí)際上未作任何IIC初始化配置。

在FPGA內(nèi)部，采集到的視頻數(shù)據(jù)先通過(guò)一個(gè)FIFO，將原本25MHz頻率下同步的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換到50MHz的頻率下。接著將這個(gè)數(shù)據(jù)再送入寫(xiě)DDR3緩存的異步FIFO中，這個(gè)FIFO中的數(shù)據(jù)一旦達(dá)到一定數(shù)量，就會(huì)寫(xiě)入DDR3中。與此同時(shí)，讀取DDR3中緩存的圖像數(shù)據(jù)，緩存到FIFO中，并最終送往LCD驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行顯示。LCD驅(qū)動(dòng)模塊不斷的發(fā)出讀圖像數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示視頻圖像。

本實(shí)例除了前面提到對(duì)原始圖像做DDR3緩存和顯示，還會(huì)在原始圖像緩存到DDR3之前，另外做圖像的多行緩存和平滑處理運(yùn)算，獲得新的平滑后的圖像流，這個(gè)圖像流也寫(xiě)入到DDR3中。根據(jù)LCD顯示模塊的請(qǐng)求，讀取DDR3中處理后的圖像進(jìn)行顯示。最終在VGA液晶顯示器上，可以看到左側(cè)圖像是原始的圖像，右側(cè)圖像是經(jīng)過(guò)平滑處理后的圖像。

2圖像平滑與濾波

       2.1 基本概念

從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，凡是統(tǒng)計(jì)特征不隨時(shí)間變化的噪聲稱(chēng)為平穩(wěn)噪聲，而統(tǒng)計(jì)特征隨

時(shí)間變化的噪聲稱(chēng)為非平穩(wěn)噪聲。幅值基本相同，但是噪聲出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的，稱(chēng)為椒鹽

噪聲；如果噪聲的幅值是隨機(jī)的，根據(jù)幅值大小的分布，有高斯型和瑞利型兩種，分別稱(chēng)為

高斯噪聲和瑞利噪聲。

圖像濾波，即在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對(duì)目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制，是圖像預(yù)

處理中不可缺少的操作，其處理效果的好壞將直接影響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可

靠性。

消除圖像中的噪聲成分叫作圖像的平滑化或?yàn)V波操作。信號(hào)或圖像的能量大部分集中在

幅度譜的低頻和中頻段是很常見(jiàn)的，而在較高頻段，感興趣的信息經(jīng)常被噪聲淹沒(méi)。因此一

個(gè)能降低高頻成分幅度的濾波器就能夠減弱噪聲的影響。

圖像濾波的目的有兩個(gè)，一是抽出對(duì)象的特征作為圖像識(shí)別的特征模式；另一個(gè)是為適應(yīng)圖像處理的要求，消除圖像數(shù)字化時(shí)所混入的噪聲。而對(duì)濾波處理的要求也有兩條，一是不能損壞圖像的輪廓及邊緣等重要信息；二是使圖像清晰視覺(jué)效果好。

平滑濾波是低頻增強(qiáng)的空間域?yàn)V波技術(shù)。它的目的有兩類(lèi)：一類(lèi)是模糊；另一類(lèi)是消除

噪音?？臻g域的平滑濾波一般采用簡(jiǎn)單平均法進(jìn)行，就是求鄰近像元點(diǎn)的平均亮度值。鄰域的大小與平滑的效果直接相關(guān)，鄰域越大平滑的效果越好，但鄰域過(guò)大，平滑會(huì)使邊緣信息損失的越大，從而使輸出的圖像變得模糊，因此需合理選擇鄰域的大小。

關(guān)于濾波器，一種形象的比喻法是：我們可以把濾波器想象成一個(gè)包含加權(quán)系數(shù)的窗口，

當(dāng)使用這個(gè)濾波器平滑處理圖像時(shí)，就把這個(gè)窗口放到圖像之上，透過(guò)這個(gè)窗口來(lái)看我們得

到的圖像。舉一個(gè)濾波在我們生活中的應(yīng)用：美顏的磨皮功能。如果將我們臉上坑坑洼洼比作是噪聲的話(huà)，那么濾波算法就是來(lái)取出這些噪聲，使我們自拍的皮膚看起來(lái)很光滑。

2.2 濾波算法

各種不同的濾波算法如下：

•限幅濾波法（又稱(chēng)程序判斷濾波法）

• 中位值濾波法

• 算術(shù)平均濾波法

• 高斯濾波法

• 遞推平均濾波法（又稱(chēng)滑動(dòng)平均濾波法）

• 中位值平均濾波法（又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法）

• 限幅平均濾波法

• 一階滯后濾波法

• 加權(quán)遞推平均濾波法

• 消抖濾波法

• 限幅消抖濾波法

•卡爾曼濾波（非擴(kuò)展卡爾曼）

2.3 均值濾波

均值濾波器是圖像處理中一種常見(jiàn)的濾波器，它主要應(yīng)用于平滑噪聲。它的原理主要是利用某像素點(diǎn)周邊像素的平均值來(lái)達(dá)到平滑噪聲的效果。

例如，1~8像素是（x,y）點(diǎn)周?chē)徑?個(gè)像素點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的均值濾波，即對(duì)（x,y）以及周邊8個(gè)像素點(diǎn)求平均替代原來(lái)的（x,y）點(diǎn)。

這種濾波方式的優(yōu)點(diǎn)很明顯，算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。缺點(diǎn)是降低噪聲的同時(shí)使圖像產(chǎn)生模糊，特別是景物的邊緣和細(xì)節(jié)部分。

2.4 加權(quán)均值濾波器

由于我們已經(jīng)注意到了中心點(diǎn)和周邊像素點(diǎn)的重要程度不同，因此可以將均值濾波進(jìn)行改進(jìn)，獲得圖像平滑濾波效果的同時(shí)，也在一定程度上盡量降低圖像邊緣和細(xì)節(jié)的損失。

基于1/16的加權(quán)均值濾波，我們的Matlab代碼如下：

clear

clc

I1=imread('.\lena.jpg');

I=im2double(I1);

[m,n,c]=size(I);

A=zeros(m,n,c);

%           1   2   1

%   1/16 *  2   4   2

%           1   2   1

%for R

for i=2:m-1

for j=2:n-1

A(i,j,1)=I(i-1,j-1,1)+I(i+1,j-1,1)+I(i-1,j+1,1)+I(i+1,j+1,1)+2*I(i+1,j,1)+2*I(i-1,j,1)+2*I(i,j+1,1)+2*I(i,j-1,1)+4*I(i,j,1);

end

end

%for G

for i=2:m-1

for j=2:n-1

A(i,j,2)=I(i-1,j-1,2)+I(i+1,j-1,2)+I(i-1,j+1,2)+I(i+1,j+1,2)+2*I(i+1,j,2)+2*I(i-1,j,2)+2*I(i,j+1,2)+2*I(i,j-1,2)+4*I(i,j,2);

end

end

%for B

for i=2:m-1

for j=2:n-1

A(i,j,3)=I(i-1,j-1,3)+I(i+1,j-1,3)+I(i-1,j+1,3)+I(i+1,j+1,3)+2*I(i+1,j,3)+2*I(i-1,j,3)+2*I(i,j+1,3)+2*I(i,j-1,3)+4*I(i,j,3);

end

end

B=A/16;

%output

imwrite(B,'lena.tif','TIf');

imshow('.\lena.jpg');TItle('origin image');figure

imshow('lena.TIf');TItle('image after average filter')

濾波效果如下。

Matlab源碼、Lena.jpg原圖和比對(duì)圖存放在at7_img_ex01\matlab文件夾下。