本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及硬件語言描述導(dǎo)向?yàn)V波算法及其優(yōu)化，具體是一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法，可應(yīng)用于數(shù)字圖像在采集與顯示過程的降噪處理，高動(dòng)態(tài)圖像壓縮，以及圖像增強(qiáng)。

背景技術(shù)：

hekaiming在ieeetransactionsonpatternanalysis&machineintelligence2013,35(6):1397-409.上發(fā)表了“guidedimagefiltering”的論文，文中提出了一種新的濾波算法，稱為導(dǎo)向?yàn)V波，導(dǎo)向?yàn)V波的輸出圖與引導(dǎo)圖之間具有局部線性傳輸特性，因此具有較好的邊緣保持效果。導(dǎo)向?yàn)V波與均值濾波，高斯低通濾波，雙邊濾波等相比，該算法具有較好的濾波效果以及較高的效率，從而廣泛應(yīng)用于圖像去噪處理，圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)，平滑處理，高動(dòng)態(tài)圖像壓縮處理，摳圖處理，圖像羽化以及圖像去霧處理。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，人們總希望將一些算法通過硬件電路的形式移植到芯片中，從而降低處理器的負(fù)荷。導(dǎo)向?yàn)V波算法很容易在軟件中高效率地實(shí)現(xiàn)，但是要以硬件電路的形式集成在圖像處理相關(guān)的芯片中，該算法依然面臨著面積，功耗以及實(shí)時(shí)要求的考驗(yàn)。2013年，金炎勝等人發(fā)明了“一種高速導(dǎo)向?yàn)V波器在fpga平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)裝置”，該發(fā)明對導(dǎo)向?yàn)V波算法的硬件實(shí)現(xiàn)做了初步驗(yàn)證，但該發(fā)明使用了5個(gè)除法器，由于除法器采用分頻方式實(shí)現(xiàn)，完成一次除法操作需要2+ndiv個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，其中ndiv為除法器的延遲時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)，因此存在延時(shí)大，實(shí)時(shí)性差問題，此外除法器的實(shí)現(xiàn)也需要耗費(fèi)大量的面積。2014年，樸燕等人發(fā)明了“一種基于fpga的引導(dǎo)濾波器及其實(shí)現(xiàn)方法”，該發(fā)明通過尋址的方式改進(jìn)了二進(jìn)制除法運(yùn)算，便于硬件實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，但其精度低和面積大等問題依然存在。

目前，對于導(dǎo)向?yàn)V波的硬件實(shí)現(xiàn)而言，芯片面積大、功耗大、延時(shí)大、實(shí)時(shí)性差等問題依然存在,并具有很大的優(yōu)化價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法，使實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波功能的硬件電路具有面積小，功耗低，實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，可采用硬件描述語言veriloghdl，vhdl進(jìn)行描述并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波功能，根據(jù)數(shù)據(jù)流動(dòng)順序依次包括并連接有均值濾波模塊，數(shù)據(jù)同步器，方差計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊，常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊，常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊，輸出級計(jì)算模塊。

本發(fā)明還是一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化方法，在權(quán)利要求1-4所述的一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，其特征在于，導(dǎo)向?yàn)V波中的均值濾波采用偶數(shù)濾波窗口，且滿足濾波窗口w＝n*n，n＝2ⁿ，其中n＝{1，2，3}，硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波包括有如下步驟：

(1)產(chǎn)生輸入圖像的局部圖像：本發(fā)明采取流水線設(shè)計(jì)，輸入圖以串行方式輸入局部圖像緩存單元ibuf，在系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號的控制下，將產(chǎn)生大小為n*n局部圖像；

(2)同步輸入圖像數(shù)據(jù)：將局部圖像緩存單元最后一級fifo的輸出端數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)同步器fifo1；

(3)運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性完成均值濾波并計(jì)算方差σ²：將輸入圖像作為導(dǎo)向?yàn)V波中的導(dǎo)向圖，運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性完成均值濾波中的除法運(yùn)算，并計(jì)算方差，方差計(jì)算的具體步驟如下：

3.1計(jì)算局部圖像均值的平方對局部圖像中所有像素求和，并右移2n位得到平均值然后將平均值寫入數(shù)據(jù)同步器fifo2，并對作平方運(yùn)算得到局部圖像均值的平方

3.2計(jì)算局部圖像平方的平均值對局部圖像各像素點(diǎn)進(jìn)行平方運(yùn)算，得到一個(gè)大小為n*n的矩陣i²，對該矩陣中所有元素求和，并右移2n位得到局部圖像平方的平均值

3.3根據(jù)局部圖像均值的平方以及局部圖像平方的平均值計(jì)算方差σ²；

(4)根據(jù)方差σ²和一個(gè)確定的平滑系數(shù)ε求解導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b：首先采用分段一次函數(shù)擬合方式逼近a系數(shù)曲線，然后基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)，最終通過輸入方差即可得到導(dǎo)向?yàn)V波中的一次項(xiàng)系數(shù)a，最后通過數(shù)據(jù)同步器fifo2輸出的局部圖像的平均值與一次項(xiàng)系數(shù)a算出常數(shù)項(xiàng)b；

(5)對一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b均值濾波：將a、b數(shù)據(jù)輸入到系數(shù)緩存器abuf、bbuf，緩存器結(jié)構(gòu)與ibuf相同，在系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號的控制下，將產(chǎn)生兩個(gè)大小為n*n系數(shù)矩陣，分別存放于abuf和bbuf的濾波窗口中，分別對濾波窗口中所有元素求和，運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性，右移2n位算出對應(yīng)的出平均值與其中n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

(6)計(jì)算輸出結(jié)果q完成導(dǎo)向?yàn)V波：根據(jù)數(shù)據(jù)同步器fifo1輸出的數(shù)據(jù)與一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b的局部平均值得到導(dǎo)向?yàn)V波輸出結(jié)果q。

本發(fā)明采取流水線設(shè)計(jì)，添加系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號進(jìn)行控制，上述步驟完成一個(gè)像素的計(jì)算，在第一個(gè)輸出結(jié)果之后，每一個(gè)數(shù)據(jù)有效時(shí)鐘周期輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果，在系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號進(jìn)行控制下，最終完成整張圖像的導(dǎo)向?yàn)V波。

使用本發(fā)明的技術(shù)方案可以有效地降低實(shí)現(xiàn)硬件導(dǎo)向?yàn)V波芯片面積，提高實(shí)時(shí)性，減小功耗。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波算法需使用均值濾波共4次，現(xiàn)有的硬件實(shí)現(xiàn)方法采用奇數(shù)濾波窗口，窗口大小為(2n+1)²，其中n＝1，2，3；因此在計(jì)算窗口內(nèi)像素點(diǎn)的均值時(shí)，需要分別除以(2n+1)²，一般實(shí)現(xiàn)采用查表法或定點(diǎn)除法來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出偶數(shù)濾波窗口設(shè)計(jì)，從硬件描述語言層次出發(fā)，巧妙地運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性，合理地選擇濾波窗口w＝2²ⁿ，其中n＝1，2，3。使得均值濾波中的除法可以由右移2n位來實(shí)現(xiàn),避免使用除法器，降低算法復(fù)雜度，因此降低了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波算法硬件電路的面積和功耗，并提了系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性。

(2)現(xiàn)有方法計(jì)算一次項(xiàng)系數(shù)a同樣需要除法器，本發(fā)明采用分段一次函數(shù)擬合方式逼近導(dǎo)向?yàn)V波中求解一次項(xiàng)系數(shù)a的曲線，然后基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數(shù)硬件實(shí)現(xiàn)，從而求解一次項(xiàng)系數(shù)a。此方法再次避免使用除法器，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

(3)本發(fā)明在均值濾波求和過程中，當(dāng)n＝1時(shí)采用直接求和方式；當(dāng)n>1時(shí)，采用累加輸入總和，減去輸出總和的方式求取濾波窗口中像素和，此方法減少了加法器的使用個(gè)數(shù)，可進(jìn)一步降低實(shí)現(xiàn)硬件導(dǎo)向?yàn)V波芯片面積和功耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明局部圖像緩存單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明均值濾波中求和單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明本發(fā)明硬件實(shí)現(xiàn)與軟件實(shí)現(xiàn)的濾波效果對比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。

目前，對于導(dǎo)向?yàn)V波的硬件實(shí)現(xiàn)而言，芯片面積大、功耗大、延時(shí)大、實(shí)時(shí)性差等問題依然存在，針對此現(xiàn)狀本發(fā)明提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方案。

實(shí)施例1：

本發(fā)明首先是一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)，可采用硬件描述語言veriloghdl，vhdl進(jìn)行描述并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波功能，參見圖1，根據(jù)數(shù)據(jù)流動(dòng)順序依次包括并連接有均值濾波模塊，數(shù)據(jù)同步器fifo1，數(shù)據(jù)同步器fifo2，方差計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊，常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊，常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊，輸出級計(jì)算模塊，各個(gè)模塊在時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)有效信號的控制下完成相應(yīng)功能。

本發(fā)明中各模塊的功能和連接方式分述如下：

均值濾波模塊：均值濾波模塊主要完成兩個(gè)任務(wù)，1、完成輸入圖像的均值濾波，2、完成輸入圖平方圖的均值濾波。輸入與接外部圖像數(shù)據(jù)，輸出分別與方差計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)同步器fifo1,fifo2相連；

數(shù)據(jù)同步器fifo1：完成數(shù)據(jù)同步任務(wù)，輸入與均值濾波模塊相連，輸出與輸出計(jì)算模塊相連；

數(shù)據(jù)同步器fifo2：完成數(shù)據(jù)同步任務(wù)，輸入與均值濾波模塊相連，輸出與常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊相連；

方差計(jì)算模塊：完成方差計(jì)算，輸入與均值濾波模塊相連，輸出與一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊相連；

一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊：完成一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算，輸入與方差計(jì)算模塊的輸出相連；輸出分別與常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊和一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊相連；

常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊：完成常數(shù)項(xiàng)計(jì)算，輸入分別與一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)同步器fifo2相連，輸出與常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊相連；

一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊：對一次項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行均值濾波處理，輸入與一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊相連，輸出與輸出級計(jì)算模塊相連；

常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊：對常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行均值濾波處理，輸入與常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊相連，輸出與輸出級計(jì)算模塊相連；

輸出級計(jì)算模塊：計(jì)算輸出結(jié)果，輸入分別與數(shù)據(jù)同步器fifo1、一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊、常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊相連，輸出為導(dǎo)向?yàn)V波計(jì)算結(jié)果。

任何一種算法以電路的形式集成于系統(tǒng)中有利于降低處理器負(fù)荷以及提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，本發(fā)明提出偶數(shù)濾波窗口設(shè)計(jì)，并結(jié)合右移位運(yùn)算的除法特，選擇濾波窗口大小w＝2²ⁿ，其中n＝{1，2，3}。使得均值濾波中的除法運(yùn)算可有右移2n位運(yùn)算來完成，此方法運(yùn)用于上述均值濾波模塊，一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊，常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊中實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算。

實(shí)施例2：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實(shí)施例1，均值濾波模塊依據(jù)數(shù)據(jù)流方向包括：局部圖像緩存單元，并行的兩個(gè)計(jì)算單元，兩個(gè)并行的計(jì)算單元分別為第一計(jì)算單元和第二計(jì)算單元。

局部圖像緩存單元與計(jì)算單元構(gòu)成均值濾波器，導(dǎo)向?yàn)V波算法一般輸入圖像有兩幅，一幅是導(dǎo)向圖、另一幅是需要做濾波處理圖像，本發(fā)明運(yùn)用于數(shù)字圖像在采集與顯示過程的降噪處理，高動(dòng)態(tài)圖像壓縮以及圖像增強(qiáng)，所以選擇需要做濾波處理圖像作為導(dǎo)向圖，因此本發(fā)明采用兩個(gè)計(jì)算單元共享一個(gè)局部圖像緩存單元方式，從而減小了硬件資源的使用，使得最終實(shí)現(xiàn)該算法的電路面積減小，有利于以硬件電路的形式集成于圖像采集與顯示的芯片上，在圖像的采集和顯示過程中進(jìn)行相應(yīng)的處理。

實(shí)施例3：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實(shí)施例1，兩個(gè)并行的計(jì)算單元中，第一計(jì)算單元依據(jù)數(shù)據(jù)流方向分別包括：求和單元，除法運(yùn)算單元，平方計(jì)算單元；第二個(gè)計(jì)算單元依據(jù)數(shù)據(jù)流方向分別包括：平方計(jì)算單元，求和單元，除法運(yùn)算單元。

本發(fā)明所采用的求和單元可應(yīng)用于任意矩陣求和，參見圖3，求和過程為：1.累加輸入總和accin，2.計(jì)算輸出總和sumout，3.任意矩陣和為sum＝accin-sumout，此方法應(yīng)用于n>1的情況下。

本發(fā)明提出偶數(shù)濾波窗口設(shè)計(jì)，且窗口大小滿足w＝2²ⁿ，使得均值濾波中的除法器，即本例中除法計(jì)算單元，可以由右移位實(shí)現(xiàn)，可直接舍棄低2n位即可得到平均值，為了提高計(jì)算精度也可以將低2n位作為小數(shù)位，其中n＝{1，2，3}。

實(shí)施例4：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實(shí)施例1，局部圖像緩存單元，參見圖2，由n個(gè)移位寄存器和n-1個(gè)先入先出存儲(chǔ)器fifo構(gòu)成，其連接方式為：n-1個(gè)fifo級聯(lián)；其中第一個(gè)移位寄存器和第一級fifo的輸入端均與輸入圖像數(shù)據(jù)相連，第2、3、…、n個(gè)移位寄存器的輸入分別與第1、2、…、n-1級fifo的輸出端相連，其中移位寄存器的長度等于n，移位寄存器的數(shù)據(jù)位寬等于輸入圖像數(shù)據(jù)寬度；fifo的長度等于輸入圖像的寬度，fifo的數(shù)據(jù)位寬等于輸入圖像的數(shù)據(jù)位寬。

實(shí)施例5：

本發(fā)明還是一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化方法，在上述的一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實(shí)施例1-4，參見圖1，硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波包括有如下步驟：

(1)產(chǎn)生輸入圖像的局部圖像：本發(fā)明采取流水線設(shè)計(jì)，以串行方式將被處理圖像輸入局部圖像緩存單元ibuf，在系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號的控制下，將產(chǎn)生大小為n*n局部圖像，ibuf的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖2。

(2)同步輸入圖像數(shù)據(jù)：將局部圖像緩存單元最后一級fifo的輸出端數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)同步器fifo1，將第一級輸入數(shù)據(jù)與fifo各級輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成n個(gè)數(shù)據(jù)，將這n個(gè)數(shù)據(jù)分別輸入到長度為n的串行移位寄存器的輸入端，經(jīng)過串行移位寄存器產(chǎn)生n*n個(gè)像素的局部圖像。

(3)運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性完成均值濾波并計(jì)算方差σ²：將輸入圖像作為導(dǎo)向?yàn)V波中的導(dǎo)向圖，從硬件描述語言層次出發(fā)，運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性，選擇濾波窗口為大小w，即局部圖像大小，方差計(jì)算的具體方案：

3.1計(jì)算局部圖像均值的平方對局部圖像中所有元素求和，并右移2n位得到平均值然后將平均值寫入數(shù)據(jù)同步器fifo2，并對作平方運(yùn)算得到

3.2計(jì)算局部圖像平方的平均值局部圖像進(jìn)行平方運(yùn)算，得到一個(gè)大小為n*n的矩陣i²，對該矩陣中所有元素求和，并右移2n位得到平均值

3.3根據(jù)局部圖像均值的平方以及局部圖像平方的平均值計(jì)算方差。

(4)根據(jù)方差σ²以及一個(gè)確定的平滑系數(shù)ε求解導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b：首先采用分段一次函數(shù)擬合方式逼近a系數(shù)曲線，然后基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數(shù)的硬件電路設(shè)計(jì)，最終通過輸入方差即可得到導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a，最后通過數(shù)據(jù)同步器fifo2輸出的局部圖像的平均值與系數(shù)a算出常數(shù)項(xiàng)b；

(5)對一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b均值濾波：將a，b數(shù)據(jù)輸入到系數(shù)緩存器abuf、bbuf，緩存器結(jié)構(gòu)與ibuf相同，在系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效使能信號的控制下，將產(chǎn)生兩個(gè)大小為n*n系數(shù)矩陣，分別存放于abuf和bbuf的濾波窗口中，分別對濾波窗口中所有元素求和，運(yùn)用右移位運(yùn)算的除法特性右移2n位算出平均值與

(6)計(jì)算輸出結(jié)果q完成導(dǎo)向?yàn)V波：根據(jù)步驟(2)中數(shù)據(jù)同步器fifo1輸出的數(shù)據(jù)與一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b的局部平均值得到導(dǎo)向?yàn)V波輸出結(jié)果q。

上述步驟完成一個(gè)像素的計(jì)算，其中w＝2²ⁿ，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，本發(fā)明采取流水線設(shè)計(jì)，為保證計(jì)算結(jié)果的正確性本發(fā)明添加系統(tǒng)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)有效使能信號進(jìn)行控制，每一個(gè)數(shù)據(jù)有效時(shí)鐘周期輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，最終完成整張圖像的導(dǎo)向?yàn)V波處理。

實(shí)施例6：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-5，硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化方法的步驟3.2中，計(jì)算局部圖像的平均值公式如下：

其中w為濾波窗口大小，ii,j表示在濾波窗口中第i行第j列像素值，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符，所述局部圖像為濾波窗口中的圖像。

實(shí)施例7：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-6，3.3中計(jì)算局部圖像的平方的平均值的公式如下所示：

其中w為濾波窗口大小，ii,j表示在濾波窗口中第i行第j列像素值，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符，所述局部圖像為濾波窗口中的圖像。

本發(fā)明在實(shí)施例6和實(shí)施例7的技術(shù)方案中采用公式格相似，輸入數(shù)據(jù)不同，能夠通過硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)，分別由局部圖像緩存單元緩存局部圖像，求和單元實(shí)現(xiàn)局部圖像的求和運(yùn)算，用右移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算。

局部圖像緩存單元結(jié)構(gòu)參見圖2所示，data_in為輸入端，由n-1個(gè)先入先出存儲(chǔ)器fifo構(gòu)成和n個(gè)移位寄存器，其中每個(gè)移位寄存器的長度為n，共有n*n個(gè)寄存器，構(gòu)成大小為n*n的濾波窗口，局部圖像存放與濾波窗口中；

求和單元：n>1時(shí)，求和單元結(jié)構(gòu)參見圖3，圖中accin為所有輸入串行移位寄存器值的累加，sumout為所有輸出串行移位寄存器值的和，由于所有寄存器初始化為零，所以accin減去sumout便是串行移位寄存器所有寄存器值的總和，即濾波窗口中所有元素的總和，求取平方和時(shí)，通過累加輸入平法和減去輸出平方和的方式計(jì)算。

除法運(yùn)算單元中：本發(fā)明提出偶數(shù)濾波窗口設(shè)計(jì)，且窗口大小滿足w＝2²ⁿ，使得均值濾波中的除法運(yùn)算可以由右移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，其操作為直接舍棄低2²ⁿ位即可得到平均值，為了提高計(jì)算精度也可以將低2²ⁿ位作為小數(shù)位。

實(shí)施例8：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-7，本發(fā)明計(jì)算一次項(xiàng)系數(shù)a的公式如下所示：

s為分段函數(shù)段數(shù)，ki表示第i段的斜率，bi表示第i段的截距，ε為平滑系數(shù)，x為圖像數(shù)據(jù)位寬，σ²為局部圖像的方差。

具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

8.1確定一個(gè)平滑系數(shù)ε，0<ε<2^x；

8.2然后在用c語言或者python語言，以σ²為自變量，則a為一條單調(diào)遞增曲線，將a曲線分成s段，用分段一次函數(shù)擬合a曲線，其中s越大精度越高，但計(jì)算度越復(fù)雜；

8.3基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)一次項(xiàng)系數(shù)a的求解，最終通過輸入方差即可得到導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a。

實(shí)施例9：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-8，一次項(xiàng)系數(shù)a及常數(shù)項(xiàng)b均值濾波公式如下所示：

其中w為濾波窗口大小，為均值濾波輸出結(jié)果，ai,j、bi,j分別表示在濾波窗口中第i行第j列一次項(xiàng)系數(shù)a的值和常數(shù)項(xiàng)b的值，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符。

上述公式的硬件描述包含系數(shù)緩存器，求和單元以及除法器單元，其中系數(shù)緩存器結(jié)構(gòu)如圖2所示，求和單元機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。本發(fā)明濾波窗口大小滿足w＝2²ⁿ。使得均值濾波中的除法可以由右移2n位實(shí)現(xiàn)，因此有效地降低實(shí)現(xiàn)硬件導(dǎo)向?yàn)V波電路的面積和功耗，并提高了實(shí)時(shí)性。具體實(shí)現(xiàn)步驟也可以表示為：

9.1將a，b數(shù)據(jù)分別輸入到系數(shù)緩存器abuf、bbuf中，緩存器結(jié)構(gòu)與ibuf相同，參見圖2，將產(chǎn)生兩個(gè)大小為n*n系數(shù)矩陣，分別存放于對應(yīng)濾波窗口中；

9.2對abuf、bbuf中濾波窗口里所有數(shù)據(jù)進(jìn)行求和計(jì)算，當(dāng)n>1時(shí)，求和電路示意圖，參見圖3；

9.3右移2n位得到平均值相應(yīng)的均值。

以下給出一個(gè)更加完整和詳實(shí)的例子，結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例10：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-9，參照圖1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：

步驟1，將輸入圖iin以串行方式輸入緩存器ibuf，并將緩存器中最后一級fifo的輸出端數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)同步器fifo1，本發(fā)明局部圖像緩存單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，該緩存單元由n-1個(gè)長度為輸入圖寬度的先入先出存儲(chǔ)器fifo級聯(lián)，以及由n個(gè)長度為n的移位寄存器構(gòu)成，最終產(chǎn)生像素點(diǎn)為n*n局部圖像i，其中n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，數(shù)據(jù)位寬為輸入圖像數(shù)據(jù)位寬。

步驟2，先對局部圖像中所有像素值求和，n＝1時(shí)直接求和，n>時(shí)，求和電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其次對其進(jìn)行右移2n位操作求得平均值公式如下所示：

其中w為濾波窗口大小，ii,j表示在濾波窗口中第i行第j列像素值，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符，所述局部圖像濾波窗口中的圖像。然后將局部圖像的平均值寫入數(shù)據(jù)同步器fifo2，并對作平方運(yùn)算得到

步驟3，當(dāng)n＝1時(shí)，先對上述局部圖像i中各像素值進(jìn)行平方運(yùn)算得到一個(gè)大小為2*2的矩陣i²，并對i²所有元素做求和運(yùn)算；當(dāng)n>1時(shí)，求和電路結(jié)構(gòu)參見圖3，累加輸入平方和減去輸出平方和，然后右移2n位得到公式如下所示：

其中w為濾波窗口大小，表示在濾波窗口中第i行第j列像素值的平方，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符。

步驟4，將輸入圖像iin作為導(dǎo)向?yàn)V波中的導(dǎo)向圖gin，計(jì)算方差σ²；

計(jì)算導(dǎo)向?yàn)V波中方差公式如下所示：

本發(fā)明將輸入圖像iin作為導(dǎo)向?yàn)V波中的導(dǎo)向圖gin，則有g(shù)＝i，本發(fā)明計(jì)算方差公式如下所示：

步驟5，根據(jù)方差σ²以及平滑系數(shù)ε求解導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a；

本發(fā)明采用分段一次函數(shù)擬合方式逼近導(dǎo)向?yàn)V波中的a系數(shù)曲線，其表達(dá)式如下所示：

s為分段函數(shù)段數(shù)，ki表示第i段的斜率，bi表示第i段的截距，ε為平滑系數(shù)，x為圖像數(shù)據(jù)位寬，σ²為局部圖像的方差。

具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

5.1確定一個(gè)平滑系數(shù)ε，0≤ε＜2^x，其中x為輸入圖像數(shù)據(jù)位寬；

5.2然后在用c語言或者python語言，以方差σ²為變量并計(jì)算出0≤σ²＜2^x所對應(yīng)的系數(shù)a曲線，再將系數(shù)a曲線擬合成分段一次函數(shù)；

5.3基于多路選擇器和移位加法器完成分段一次函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)一次項(xiàng)系數(shù)a的求解，由于a∈(0，7)變化較大，該段采取查表法實(shí)現(xiàn)，本例中x＝8，s＝16。

步驟6，通過數(shù)據(jù)同步器fifo2輸出局部圖像的平均值用局部圖像的平均值與一次項(xiàng)系數(shù)a算出常數(shù)項(xiàng)b，常數(shù)項(xiàng)b計(jì)算公式如下所示：

其中a′表示一次項(xiàng)系數(shù)a的按位非運(yùn)算，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符，x為圖像的數(shù)據(jù)位寬，本例中x＝8。

然后將a，b數(shù)據(jù)分別輸入到系數(shù)緩存器abuf、bbuf中，緩存器結(jié)構(gòu)與局部圖像緩存單元ibuf相同，將產(chǎn)生兩個(gè)大小為n*n系數(shù)矩陣，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}；

步驟7，分別求出系數(shù)緩存器abuf與bbuf中濾波窗口下一次項(xiàng)系數(shù)a與常數(shù)項(xiàng)b的算數(shù)平均值與其計(jì)算公式如下所示；

其中w為濾波窗口大小，為均值濾波輸出結(jié)果，ai,j，bi,j分別表示在濾波窗口中第i行第j列一次項(xiàng)系數(shù)a的值和常數(shù)項(xiàng)b的值，n為濾波窗口寬度，n＝2ⁿ，n＝{1，2，3}，‘＞＞’為右移位運(yùn)算符，n＝1時(shí)直接求和，n>1時(shí)求和電路參見圖3。

步驟8，將步驟(1)中數(shù)據(jù)同步器fifo1輸出i的數(shù)據(jù)與得到導(dǎo)向?yàn)V波輸出結(jié)果q，其公式如下所示：

以上8個(gè)步驟詳細(xì)介紹了獲得一個(gè)像素輸出處理的所有過程，本發(fā)明采用流水線形式，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，依次輸出導(dǎo)向?yàn)V波結(jié)果，公式如下所示：

其中iin為輸入圖像，q為導(dǎo)向?yàn)V波輸出結(jié)果，x、y為圖像坐標(biāo)，iin(x,y)，q(x,y)，分別為相應(yīng)坐標(biāo)上的輸入圖像值，導(dǎo)向?yàn)V波結(jié)果，一次項(xiàng)系數(shù)以及常數(shù)項(xiàng)。

本發(fā)明在第一個(gè)輸出結(jié)果之后，每一個(gè)有效時(shí)鐘周期輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下最終通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)對輸入圖像的導(dǎo)向?yàn)V波處理。

下面通過仿真結(jié)果對本發(fā)明的技術(shù)效果再做說明

實(shí)施例11：

硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波的優(yōu)化系統(tǒng)和方法同實(shí)施例1-10，

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：軟件仿真環(huán)境為matlab2016b和modelsim-altera10.3，操作系統(tǒng)為64-bitwindows10；centos虛擬機(jī),dc綜合庫文件synopsys/dc/dc_2012/libraries/syn/class.db。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

實(shí)驗(yàn)1，去噪處理：首先在matlab中對原始圖像加高斯噪聲，得到噪聲圖；然后分別在matlab和modelsim環(huán)境下對噪聲圖進(jìn)行導(dǎo)向?yàn)V波去噪處理，并保存處理結(jié)果，其中modelsim環(huán)境下使用veriloghdl語言對本發(fā)明進(jìn)行描述；最后在matlab中計(jì)算處理結(jié)果的信噪比和信息熵，如圖4所示。

其中：圖4(a)為噪聲圖，圖4(b)為用本發(fā)明處理結(jié)果，圖4(c)為matlab處理結(jié)果局部圖，圖4(d)為噪聲圖局部圖，圖4(e)為本發(fā)明處理結(jié)果局部圖。由圖4(a)和圖4(b)對比可見本發(fā)明處理結(jié)果與噪聲圖相比畫質(zhì)明顯提高，根據(jù)局部圖4(c)、4(d)、4(e)圖可以看出本發(fā)明處理結(jié)果與matlab處理結(jié)果大致相同；但人眼的視覺效果存在偏差，表1給出信噪比和信息熵對處理結(jié)果進(jìn)行了客觀評價(jià)，一般地信息熵越大圖像也好，信噪比高圖像質(zhì)量越好。

表1本發(fā)明處理結(jié)果與matlab處理結(jié)果的客觀評價(jià)

綜合看出，本發(fā)明輸出結(jié)果與原圖相比信噪比明顯提高、與matlab中實(shí)現(xiàn)效果大致相同，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向?yàn)V波算法。

實(shí)驗(yàn)2，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性驗(yàn)證：表2中分別統(tǒng)計(jì)了圖像大小為160*120、640*480、1024*768圖像的流水線級數(shù)，流水線級數(shù)反應(yīng)數(shù)據(jù)從輸入到輸出所需要的系統(tǒng)時(shí)鐘周期，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相同情況下，流水線級數(shù)越少越具有實(shí)時(shí)性，可以看出本發(fā)明更具有實(shí)時(shí)性。

表2本發(fā)明方法與現(xiàn)有方法最小流水線級數(shù)

實(shí)驗(yàn)3，dc綜合：分別對傳統(tǒng)方法和本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波電路進(jìn)行dc綜合，相同約束條件下，實(shí)現(xiàn)不同分辨率圖片的電路面積報(bào)告如表3所示：

表3本發(fā)明方法與現(xiàn)有方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波電路的面積報(bào)告(單位：um²)

由表3可見，本發(fā)明所提出的硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波優(yōu)化方案比傳統(tǒng)基于引導(dǎo)濾波方法耗費(fèi)面積較小，相同條件下功耗與面積呈正相關(guān)，所以本發(fā)明功耗較傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法低，實(shí)驗(yàn)中各個(gè)均值濾波窗口為取最小值，其中本發(fā)明最小為2*2；現(xiàn)有技術(shù)最小值為3*3。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可得，本發(fā)明優(yōu)化了導(dǎo)向?yàn)V波硬件實(shí)現(xiàn)方案，具有較好的去噪效果更具有實(shí)時(shí)性、較小的面積消耗以及較低的功率損耗。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波優(yōu)化系統(tǒng)和方法。解決了導(dǎo)向?yàn)V波算法在硬件實(shí)現(xiàn)中的實(shí)時(shí)性差，面積和功耗大等問題。硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波優(yōu)化系統(tǒng)依數(shù)據(jù)流動(dòng)順序依次包括并連接有均值濾波模塊，數(shù)據(jù)同步器fifo1，數(shù)據(jù)同步器fifo2，方差計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)計(jì)算模塊，常數(shù)項(xiàng)計(jì)算模塊，一次項(xiàng)系數(shù)均值濾波模塊，常數(shù)項(xiàng)均值濾波模塊，輸出級計(jì)算模塊。硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?yàn)V波優(yōu)化方法主要步驟如下：1.將圖像輸入濾波緩存器并將其作為導(dǎo)向圖；2.緩存器輸出端數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)同步器fifo1；3.對濾波緩存器中的像素值求平方值和方差，并將平均值寫入數(shù)據(jù)同步器fifo2；4.根據(jù)方差以及平滑系數(shù)求解導(dǎo)向?yàn)V波中一次項(xiàng)系數(shù)a；5.通過數(shù)據(jù)同步器fifo2輸出平均值和一次項(xiàng)系數(shù)a算出常數(shù)項(xiàng)b并寫入緩存器；6.分別求出a與b在濾波窗口中一次項(xiàng)系數(shù)a的平均值和常數(shù)項(xiàng)b的平均值；7.由同步模塊fifo1輸出數(shù)據(jù)、濾波窗口中a的平均值和b的平均值求得導(dǎo)向?yàn)V波輸出結(jié)果。本發(fā)明提高了計(jì)算精度，降低了硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，避免使用除法器，減小了延時(shí)，降低了面積和功耗。能以硬件電路的形式集成于圖像采集與顯示的芯片上，可用于數(shù)字圖像采集與顯示中的去噪處理，圖像增強(qiáng)，高動(dòng)態(tài)圖像壓縮。