在圖像處理領(lǐng)域，均值濾波作為一種經(jīng)典的線性濾波技術(shù)，廣泛應(yīng)用于圖像去噪和平滑處理中。特別是在灰度圖像處理中，均值濾波通過計算目標像素點周圍像素的平均值來替代原像素值，從而達到去噪和平滑圖像的目的。本文將詳細介紹FPGA上實現(xiàn)灰度圖像均值濾波的原理、步驟及代碼示例。

均值濾波原理

均值濾波的基本原理是用鄰域內(nèi)像素的均值來替代原圖像中的每個像素值。對于灰度圖像而言，這一操作尤為直接。給定一個像素點(x, y)，以其為中心的N×N鄰域（常用的是3×3或5×5鄰域）內(nèi)的所有像素值將被計算平均，然后該平均值被用作新的像素值。公式表達為：

g(x,y)=

N

1

∑

i,j∈鄰域

f(i,j)

其中，f(i,j) 是原圖像在點(i, j)的像素值，g(x,y) 是處理后的圖像在點(x, y)的像素值，N是鄰域內(nèi)像素的總數(shù)（包括目標像素自身，但通常在計算中排除以避免自我影響）。

FPGA實現(xiàn)步驟

在FPGA上實現(xiàn)灰度圖像的均值濾波，主要包括以下幾個步驟：

圖像預(yù)處理：將輸入的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。這通常通過計算每個像素的R、G、B三通道的平均值來實現(xiàn)。

形成像素矩陣：構(gòu)建一個以目標像素為中心的N×N像素矩陣（如3×3）。這通常通過行緩存（line buffer）來實現(xiàn)，以存儲連續(xù)的行數(shù)據(jù)。

計算鄰域像素和：對矩陣中的鄰域像素（排除目標像素自身）進行求和。

均值計算：將求和結(jié)果除以鄰域內(nèi)像素的總數(shù)（排除目標像素后），得到新的像素值。在FPGA中，這通常通過右移操作（相當于整數(shù)除法）來實現(xiàn)。

輸出結(jié)果：將計算得到的均值作為新的像素值輸出，并繼續(xù)處理下一個像素點。

代碼示例

以下是一個簡化的Verilog代碼示例，展示了如何在FPGA上實現(xiàn)3×3均值濾波。

verilog

module mean_filter_3x3(  

   input clk,        // 時鐘信號  

   input rst_n,      // 復(fù)位信號，低電平有效  

   input [7:0] pixel_in, // 輸入像素值（灰度）  

   input pixel_valid, // 像素有效信號  

   output reg [7:0] pixel_out, // 輸出像素值  

   output reg pixel_out_valid // 輸出像素有效信號  

);  

// 行緩存  

reg [7:0] line0, line1, line2;  

// 像素矩陣寄存器  

reg [7:0] matrix[2:0][2:0];  

// 像素計數(shù)器和輸出控制  

reg [1:0] pixel_count;  

// 主邏輯  

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  

   if (!rst_n) begin  

       // 復(fù)位時清空所有寄存器  

       line0 <= 8'd0;  

       line1 <= 8'd0;  

       line2 <= 8'd0;  

       pixel_count <= 2'd0;  

       pixel_out <= 8'd0;  

       pixel_out_valid <= 1'b0;  

   end else if (pixel_valid) begin  

       // 更新行緩存  

       line2 <= line1;  

       line1 <= line0;  

       line0 <= pixel_in;  

       // 更新像素矩陣  

       matrix[2][2:0] <= matrix[1][2:0];  

       matrix[1][2:0] <= matrix[0][2:0];  

       matrix[0][2:0] <= {line2, line1, line0};  

       // 計數(shù)器和輸出控制  

       if (pixel_count == 2'd2) begin // 第三個像素到達，形成完整3x3矩陣  

           // 計算均值（簡化，直接右移3位）  

           pixel_out <= (matrix[0][0] + matrix[0][1] + matrix[0][2] +  

                         matrix[1][0] +                   matrix[1][2] +  

                         matrix[2][0] + matrix[2][1] + matrix[2][2]) >> 3;