[发明专利]硬件实现导向滤波的优化系统和方法

说明书

本发明提出了一种硬件实现导向滤波优化系统和方法。解决了导向滤波算法在硬件实现中的实时性差，面积和功耗大等问题。硬件实现导向滤波优化系统依数据流包括均值滤波模块，数据同步器，方差计算模块，一次项系数计算模块，常数项计算模块，一次项系数均值滤波模块，常数项均值滤波模块，输出级计算模块。导向滤波优化方法实现步骤有：串行输入产生局部图像；同步图像数据；用右移位寄存器除法特性均值滤波并计算方差；同步数据；求解导向滤波中一次项系数及常数项并分别均值滤波：计算输出结果完成导向滤波。本发明避免使用除法器，减小了延时，降低了面积和功耗。可用于数字图像采集与显示中的去噪处理，图像增强，高动态图像压缩。

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及硬件语言描述导向滤波算法及其优化，具体是一种硬件实现导向滤波的优化系统和方法，可应用于数字图像在采集与显示过程的降噪处理，高动态图像压缩，以及图像增强。

背景技术

He Kaiming在IEEE Transactions on Pattern AnalysisMachineIntelligence 2013,35(6):1397-409.上发表了“Guided Image Filtering”的论文，文中提出了一种新的滤波算法，称为导向滤波，导向滤波的输出图与引导图之间具有局部线性传输特性，因此具有较好的边缘保持效果。导向滤波与均值滤波，高斯低通滤波，双边滤波等相比，该算法具有较好的滤波效果以及较高的效率，从而广泛应用于图像去噪处理，图像细节增强，平滑处理，高动态图像压缩处理，抠图处理，图像羽化以及图像去雾处理。

随着集成电路技术的发展，人们总希望将一些算法通过硬件电路的形式移植到芯片中，从而降低处理器的负荷。导向滤波算法很容易在软件中高效率地实现，但是要以硬件电路的形式集成在图像处理相关的芯片中，该算法依然面临着面积，功耗以及实时要求的考验。2013年，金炎胜等人发明了“一种高速导向滤波器在FPGA平台的实现装置”，该发明对导向滤波算法的硬件实现做了初步验证，但该发明使用了5个除法器，由于除法器采用分频方式实现，完成一次除法操作需要2+N_div个系统时钟周期，其中N_div为除法器的延迟时钟周期个数，因此存在延时大，实时性差问题，此外除法器的实现也需要耗费大量的面积。2014年，朴燕等人发明了“一种基于FPGA的引导滤波器及其实现方法”，该发明通过寻址的方式改进了二进制除法运算，便于硬件实现，提高了系统运行时间，但其精度低和面积大等问题依然存在。

目前，对于导向滤波的硬件实现而言，芯片面积大、功耗大、延时大、实时性差等问题依然存在,并具有很大的优化价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种硬件实现导向滤波的优化系统和方法，使实现导向滤波功能的硬件电路具有面积小，功耗低，实时性高等优点。

本发明是一种硬件实现导向滤波的优化系统，其特征在于，可采用硬件描述语言VerilogHDL，VHDL进行描述并实现导向滤波功能，根据数据流动顺序依次包括并连接有均值滤波模块，数据同步器，方差计算模块，一次项系数计算模块，常数项计算模块，一次项系数均值滤波模块，常数项均值滤波模块，输出级计算模块。

本发明还是一种硬件实现导向滤波的优化方法，在权利要求1-4所述的一种硬件实现导向滤波的优化系统上实现，其特征在于，导向滤波中的均值滤波采用偶数滤波窗口，且满足滤波窗口W＝N*N，N＝2ⁿ，其中n＝{1，2，3}，硬件实现导向滤波包括有如下步骤：

(1)产生输入图像的局部图像：本发明采取流水线设计，输入图以串行方式输入局部图像缓存单元I_Buf，在系统时钟和数据有效使能信号的控制下，将产生大小为N*N局部图像；

(2)同步输入图像数据：将局部图像缓存单元最后一级FIFO的输出端数据写入数据同步器FIFO1；