基于FPGA的视频采集与3D降噪技术实现

摘要

视频具有直观、可靠、内容丰富等优势，且随着自动化技术的发展，视频处理技术逐渐被应用在地质测绘、安防、选矿、作物生长等领域。由于大气中悬浮物的存在，导致视频画面不清晰，不但影响人类的视觉质量，还会对视频后续处理带来不可估计的影响。因此，视频降噪处理显得尤为重要。传统的视频处理基于软件，然而软件在处理大量数据时很难满足实时性要求。由于硬件具有并行处理数据的特点，所以基于硬件的视频处理技术逐渐被关注。可编程逻辑器件(FPGA,Field-Programmable Gate Array)具有丰富的硬件逻辑资源和存储资源，方便灵活配置，处理速度快，可移植性强，被广泛应用于实时图像处理领域。本文采用FPGA技术，对含有大量悬浮物的大气环境下拍摄的视频进行采集及降噪处理。 本文首先介绍图像处理技术的发展，简要分析基于FPGA的视频图像处理技术的优点，并简要描述传统的视频图像采集系统及经典的视频图像降噪技术。传统的视频图像采集系统有基于软件平台、基于单片机及FPGA+微处理器(ARM,Advanced RISC Machines)的嵌入式系统等两种方式。经典的视频图像降噪技术有基于空域滤波、时域滤波及时空域联合滤波等三种方法。最后重点介绍本文采用的视频图像3D降噪算法基本原理及其特点。该算法与经典的视频降噪算法有以下区别：用差分图法代替图像块匹配法分离图像背景和前景，用按键控制阈值法代替信号方差阈值法标记噪声信号。 然后介绍本文设计的基于FPGA的视频采集与显示系统。在设计该系统时，采用模块化的思想，将其分成4个模块，分别为视频编码芯片和视频解码芯片初始化模块、数字视频有效数据采集模块、同步动态随机存取内存(SDRAM,Synchronous Dynamic Random Access Memory)控制器模块及视频数据显示模块。本文重点研究了芯片初始化模块和SDRAM控制器模块的逻辑设计。芯片初始化模块是视频数据采集和显示的前提，本文通过I2C总线来配置参数，并重点讨论了I2C总线控制器的FPGA实现。SDRAM控制器模块是本文设计的难点之一，它是FPGA芯片与片外存储器进行数据传输的桥梁。在设计该模块时，使用两个异步FIFO分别缓存写入存储器的数据和从存储器中读取的数据，以此提高该控制器的通用性。 最后介绍本文设计的基于FPGA的视频图像3D降噪系统，该系统以Altera公司的FPGA芯片为核心，由外围设备接口电路、图像降噪处理电路及全局控制电路构成。以上电路均在同一个FPGA芯片上设计实现，故该系统简单可靠。其中，FPGA芯片外围设备接口电路有：SAA7113芯片初始化、SAA7121芯片初始化、SDRAM控制器及数据接口缓存。通过设计I2C总线控制器来完成芯片初始化，设计SDRAM控制器控制FPGA芯片与片外存储器之间的数据传输，设计数据接口缓存电路解决数据跨时钟域传输问题。FPGA芯片图像降噪处理电路有：高通滤波电路、边缘检测电路、数据差分运算电路及中值滤波电路。其中，高通滤波电路用于标记视频图像中的噪声信号，得到视频图像的初步噪声标记图；边缘检测电路用于修正初步噪声标记图，得到更精准的噪声标记图；数据差分运算电路用于提取视频序列中的图像前景；中值滤波电路用于滤波图像前景上的噪声信号。FPGA芯片全局控制电路用于控制系统的数据通路。为了提高系统时钟的工作频率，在实现视频降噪算法中采用流水技术实现快速中值滤波；为了简化视频降噪算法，采用图像差分图法代替图像块匹配法分离视频图像前景和背景。实验结果表明，本文设计的视频图像处理系统满足视频图像实时处理要求。

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