[发明专利]一种基于FPGA的离散卡尔曼自适应图像降噪系统

说明书

本发明公开一种基于FPGA的离散卡尔曼自适应图像降噪系统，包括基于FPGA处理器构造的离散卡尔曼滤波模块、图像数据输入模块、数据存储模块、时钟分频模块和数据输出模块，图像数据输入模块将采集的图像像素数据存入数据存储模块中，时钟分频模块实现时序控制，离散卡尔曼滤波模块对数据存储模块中的图像进行降噪处理后，由数据输出模块进行图像输出。此种系统造价较低，图像处理速度快，具有较高的性能和较低的耗能，可以满足设计的复杂性和实时性，降低了硬件设计时的复杂性，具有操作容易、适用范围广的优点。

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA硬件平台的图像降噪系统，特别涉及一种基于FPGA平台搭建的一种离散卡尔曼递推滤波系统。

背景技术

随着信息数字化处理技术发展的不断进步，图像作为信息传输的媒介越来越广泛地应用于学习、工作、科研及生活的各个领域中。在不断的应用之中，人们对于图像的清晰度有了更高的要求，对于系统的成像要求也越来越高，但是由于成像环境条件的复杂，数字图像在采集时难免会收到噪声信号的干扰，导致数字图像的清晰度受到影响，从而导致图像质量变差，因此需要降低图像的噪点，提高图像的清晰度，使图像信息更加真实地体现。目前国内外提出了多种较为常用的图像去噪算法，如中值滤波算法、小波分析法等，已被广泛应用，但仍有改进的空间。

由于图像处理技术的不断发展，人们对数字图像处理技术的要求也越来越高。目前，进行图像处理的相关系统对于数据处理量的需求很大，且要求很快的处理速度，所以大多数用于图像处理的算法还只能利用软件去运算，但软件环境所需的成本太高，且规模很大，使得由运算平台实现较难，所以急需一种造价较低且图像处理速度快、并可以保证良好的图像噪声滤除的基于硬件平台的图像降噪方案，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于FPGA的离散卡尔曼自适应图像降噪系统，其造价较低，图像处理速度快，具有较高的性能和较低的耗能，可以满足设计的复杂性和实时性，降低了硬件设计时的复杂性，具有操作容易、适用范围广的优点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于FPGA的离散卡尔曼自适应图像降噪系统，包括基于FPGA处理器构造的离散卡尔曼滤波模块、图像数据输入模块、数据存储模块、时钟分频模块和数据输出模块，图像数据输入模块将采集的图像像素数据存入数据存储模块中，时钟分频模块实现时序控制，离散卡尔曼滤波模块对数据存储模块中的图像进行降噪处理后，由数据输出模块进行图像输出。

上述图像数据输入模块的工作过程是：通过MATLAB对要降噪的图像进行读入，并将图像像素信息生成为.mif格式文件，之后由FPGA中的存储器ROM模块来存储图像数据。

上述时钟分频模块的工作过程是：对外部输入的时钟进行分频设置，用于对数据进行周期性的读取，以及按照周期进行离散卡尔曼的递归计算。

上述卡尔曼滤波模块包括滤波模块及卡尔曼增益计算和滤波参数修改模块。

上述数据输出模块任务利用FPGA与电脑之间的串口通信，将离散卡尔曼滤波模块滤波后的图像数据发送至电脑，并生成.txt文件；然后利用MATLAB程序，将txt文件中的图像数据进行读取，从而生成滤波后的图像结果。

本发明将基于PC端的利用卡尔曼模型进行图像去噪的算法映射到FPGA硬件平台，实现图像降噪过程的高速处理，从而提高了图像去噪的计算效率；FPGA不使用操作系统，所以不会有任务相互占取得风险，避免了一些稳定性方面的问题，而且其对外界环境的要求也不是很高。

采用上述方案后，本发明具有的有益效果是：

(1)由于FPGA具有并行处理的特点，对于算法的处理运行速度有了很大的提高，本设计中对FPGA调用了两个ROM存储模块，一个模块存储了图像的像素数据，另一个ROM模块则存储卡尔曼滤波模块运算时产生的增益、估计值等参数，这更加提高了运算速率；