專利名稱：二維數字濾波器的制作方法
技術領域：
本發明屬于實時圖像處理技術，應用于電視跟蹤器、紅外圖像跟蹤器等高速實時圖像處理裝置，也可應用于計算機視覺等領域。具體地說是一種以視頻速率對視頻圖像進行實時預處理的二維數字濾波器。
背景技術：
在電視或紅外圖像跟蹤器中，特別是對于低信噪比的紅外圖像，圖像濾波是一個必要的預處理環節，其基本目的是降低圖像噪聲和突出目標信號，在跟蹤器或視覺系統中屬于底層處理。理想的濾波器通常為二維數字濾波器，而實時性是其中的關鍵問題。現有的二維數字濾波器通常采取的技術是一是將實時數字圖像以數據陣列方式存儲到幀存儲器，然后在計算機讀寫控制和專用時序的控制下以低于視頻速率的速度輸出濾波后的數字圖像；二是完全依賴于高性能微處理器，將數字圖像濾波這項復雜的工作交給軟件運算來完成，以上兩者的不足在于圖像數據延時很大，難以應用到有很高實時性要求的圖像信息處理系統中。第三種方式是采用專用二維濾波器器件，數據率可達到視頻速率，但陣列模板較小，采用級聯方式可擴大模板但設計使用很不方便，需要外圍電路支持，而且價格昂貴。
發明內容
為了克服現有技術中圖像數據延時大，難以應用到有很高實時性要求的圖像信息處理系統中、使用不方便，需要外圍電路支持，且價格昂貴的不足，本發明目的是提供一種在通用CPLD器件上實現實時二維圖像濾波的二維數字濾波器，這一硬件技術的實時性能完全達到視頻速率，濾波器結構具有可重構性，支持現場修改濾波器參數，使用靈活方便、成本低。
為了實現上述目的，本發明解決其技術問題所采用的技術方案是以復雜可編程邏輯器件為核心，其輸入端分別接數字圖像信號，及10M時鐘信號和HD行同步信號；對接收到的數字圖像信號通過程序作實時二維數字濾波處理后，經輸出端送至跟蹤器或數據記錄設備；其中所述二維數字濾波參數可以帶符號位，由單片機通過寫操作現場置入；二維數字濾波程序流程為首先，系統上電復位；待上電過程結束，復雜可編程邏輯器件正常工作；然后外部單片機根據任務需要，向復雜可編程邏輯器件內部約定地址寫濾波模板及運算數據；在此之前，數字圖像信號經復雜可編程邏輯器件處理所輸出的結果均為無效數據；復雜可編程邏輯器件對接收到的實時數字圖像進行緩存，形成5×512byte的數據流，再對5×512byte的實時數據流鎖存，形成5×5的數據節點；最后，復雜可編程邏輯器件依據模板數據對數字圖像信號進行濾波處理，即對5×5數據節點中對應的數據進行并行計算，并將濾波結果實時輸出。
本發明的有益效果是1.本發明是一種能夠實現視頻速率的高速二維數字濾波器，處理速度為視頻速率，使用靈活方便，數據延時僅為微秒級，在應用系統中可以忽略。
2.本發明解決了現有二維數字濾波器所存在的實時性不足的問題。該濾波器的濾波結果比原始數據滯后2行+5像素(192微秒延時)實時輸出，滿足視頻預處理要求。
3.本發明二維濾波器不占用單片機任何資源。對應用系統來講，單片機不需要相關的程序軟件支持數字濾波工作，結構簡單、成本低。
4.本發明二維濾波器的模板可由單片機在線置入，為二維濾波模型的選取和實驗驗證提供極大的方便。
5.本發明二維濾波器使用帶符號運算，支持多種圖像濾波模型，適用于復雜的二維濾波模型。
6.本發明二維濾波器由單芯片全硬件(單片復雜可編程邏輯器件CPLD器件)實現，工作穩定可靠，使用方便。
7.本發明可廣泛應用于電視跟蹤器、紅外圖像跟蹤器等高速實時圖像處理裝置，也可應用于計算機視覺等民用領域。
圖1是本發明二維數字濾波器的結構圖。
圖2是實現5×512byte實時數據緩存的電路原理示意圖。
圖3是濾波器模板讀寫電路原理示意圖。
圖4是運算模塊電路原理示意圖。
圖5是本發明二維數字濾波程序工作流程圖。
圖中，節點1為數據緩存電路(由圖2展開說明)，節點2為由數據緩存電路1產生的25個數據節點，節點3為濾波運算模塊，包含濾波器模板的讀寫電路(由圖3和圖4展開說明)，節點4為用CPLD內部的EAB(嵌入式陣列塊)實現的隨機存儲器RAM，節點5為總線控制器，實現CPLD讀寫電路與外部數據總線的I/O接口。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明以復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心，其輸入端分別接數字圖像信號，及10M時鐘信號和HD行同步信號。對接收到的數字圖像信號通過程序作實時二維數字濾波處理后，經輸出端送至跟蹤器或數據記錄設備。
在圖1中，數字圖像信號送至數據緩存電路，形成5×512byte的實時數據流，該數據流再經過5級鎖存產生5×5個數據節點送至濾波運算模塊。經運算器運算后得到所求的實時數據流輸出。
在圖2所示實施例中，用復雜可編程邏輯器件CPLD內部的EAB(嵌入式陣列塊)實現的隨機存儲器RAM通過級聯的形式緩存5行數據，再從級聯的節點引出數據線形成5×512byte的實時數據流。最后對每行數據流進行5級鎖存，即可得到5×5個數據節點。
在圖3所示的濾波器模板讀寫電路原理示意圖中，復雜可編程邏輯器件CPLD的總線控制器實現了復雜可編程邏輯器件CPLD與外部單片機的數據總線的I/O接口。系統復位后，單片機通過該接口按事先約定的地址向復雜可編程邏輯器件CPLD內寫入濾波器模板數據。同時，也可以讀出模板數據進行校驗。
在圖4中描述了濾波器運算模塊依據濾波模板數據，利用復雜可編程邏輯器件CPLD內提供的乘法器、加法器和除法器等功能模塊對實時數據流進行計算的過程，實現了圖2中鎖存器鎖存的5×5個節點數據與對應的濾波器模板數據進行的乘法運算。所得的中間結果求和后再歸一化，即得到濾波器的最終輸出結果。所述濾波器參數可由單片機通過寫操作現場置入；所述濾波器參數可以接收帶正或負的符號位。
如圖5所示，二維數字濾波處理程序流程為首先，系統上電復位；待上電過程結束，復雜可編程邏輯器件CPLD可以正常工作；然后外部單片機根據任務需要，向復雜可編程邏輯器件內部約定地址寫濾波模板及運算數據；在此之前，數字圖像信號經復雜可編程邏輯器件CPLD處理所輸出的結果均為無效數據；復雜可編程邏輯器件CPLD對接收到的實時數字圖像進行緩存，形成5×512byte的數據流，再對5×512byte的實時數據流鎖存，形成5×5的數據節點；最后，復雜可編程邏輯器件CPLD依據模板數據對數字圖像信號進行濾波處理，即對5×5數據節點中對應的數據進行并行計算，處理速度為視頻速率，并將濾波結果實時輸出。
在復雜可編程邏輯器件CPLD內，利用數據流水線技術實時緩存一定量的圖像數據。存儲數據量的多少由數字濾波器模板的大小決定。以5×5濾波器模板為例，應在復雜可編程邏輯器件CPLD內存儲4行數據。每行數據區均有輸出端口，并與下一行數據區級聯。緩存區數據與實時獲得的當前行數據，形成5×512byte的實時數據流。該數據流以行為單位排列，每行按照系統的采樣時鐘以像素為單位順序輸出，同時流入下一級數據緩存區。該數據流通過5×5濾波器模板時與模板中相對應的系數進行數學運算，并將中間結果送至運算模塊進行匯總計算。運算模塊將最終結果按系統的采樣時鐘實時輸出，就得到二維數字濾波器對原始數據的實時濾波結果。由于濾波器的模板可根據任務要求的不同，由處理器置入相應不同的系數，所以本發明濾波器可用于不同條件下的預處理而無須對復雜可編程邏輯器件CPLD反復編程。
本發明由一片獨立的復雜可編程邏輯器件CPLD芯片實現帶有符號位濾波參數的實時二維數字濾波器，本發明濾波器參數可以在線方式現場置入，允許處理器通過預留的數據總線對片內濾波模板寄存器進行修改，以適用于不同的預處理要求，提高了應用上的靈活性。這種全硬件化的二維數字濾波器支持用戶構建通用的高速圖像處理平臺，擺脫系統對高性能處理器的依賴，數據吞吐率不亞于目前國際市場上典型的專用二維信號處理器，達到視頻速率，且這種開放的濾波器模型是專用二維信號處理器所不具備的特點。
其中本發明復雜可編程邏輯器件CPLD采用EPF10K100ARC240-2型號芯片。
權利要求
1.一種二維數字濾波器，其特征是以復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心，其輸入端分別接數字圖像信號，及10M時鐘信號和HD行同步信號，對接收到的數字圖像信號通過程序作實時二維數字濾波處理，再經輸出端送至跟蹤器或數據記錄設備。
2.根據權利要求1所述的二維數字濾波器，其特征是所述二維數字濾波參數可由單片機通過寫操作現場置入。
3.根據權利要求1所述的二維數字濾波器，其特征是所述二維數字濾波參數可以帶符號位。
4.根據權利要求1所述的二維數字濾波器，其特征是所述二維數字濾波程序具體流程為首先，系統上電復位；待上電過程結束，復雜可編程邏輯器件(CPLD)正常工作；然后外部單片機根據任務需要，向復雜可編程邏輯器件內部約定地址寫濾波模板及運算數據；在此之前，數字圖像信號經復雜可編程邏輯器件(CPLD)處理所輸出的結果均為無效數據；復雜可編程邏輯器件(CPLD)對接收到的實時數字圖像進行緩存，形成5×512byte的數據流，再對5×512byte的實時數據流鎖存，形成5×5的數據節點；最后，復雜可編程邏輯器件(CPLD)依據模板數據對數字圖像信號進行濾波處理，即對5×5數據節點中對應的數據進行并行計算，并將濾波結果實時輸出。
全文摘要
本發明屬于實時圖像處理技術，具體公開一種以視頻速率對視頻圖像進行實時預處理的二維數字濾波器。它以復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心，其輸入端分別接數字圖像信號，及10M時鐘信號和HD行同步信號。對接收到的數字圖像信號通過程序作實時二維數字濾波處理，再經輸出端送至跟蹤器或數據記錄設備。本發明是一種能夠實現視頻速率的高速二維數字濾波器，參數帶有符號位，支持多種圖像濾波模型，且參數允許由單片機在線置入，使用靈活方便，性能穩定可靠，價格低廉。可廣泛應用于電視跟蹤器、紅外圖像跟蹤器等高速實時圖像處理裝置，也可應用于計算機視覺等領域。
文檔編號H03H17/00GK1620108SQ20031010513
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月19日 優先權日2003年11月19日
發明者王繼東, 史澤林, 羅海波 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所