數(shù)字視頻降噪算法的研究與硬件實現(xiàn)

福州瑞芯微電子股份有限公司 鄭天翼

數(shù)字視頻圖像處理系統(tǒng)中，數(shù)字視頻采集、傳輸、解碼等過程，發(fā)生不同噪聲的可能性較大。而出現(xiàn)噪聲會對視頻質(zhì)量、數(shù)字視頻處理，構(gòu)成直接的影響。針對于此，應(yīng)合理的運(yùn)用數(shù)字視頻降噪技術(shù)，將視頻造成消除，從而對視頻進(jìn)行壓縮、識別處理，進(jìn)而切實提高視頻的質(zhì)量。

一、數(shù)字視頻降噪算法的主要原理

噪聲方差估計，即為通過噪聲方差對模塊估計的方法，主要通過求塊方差加權(quán)平均方法處理。由于噪聲估計方法，需遵循一定的規(guī)則，所以應(yīng)盡可能防止噪聲方差在估計期間，被視頻圖像信息所影響，明確視頻圖像空白塊。所選擇的宏塊大小為8×8，實行方差計算時應(yīng)選擇最小數(shù)值，這時就會對圖像信息構(gòu)成不良影響，無法達(dá)到估算的最佳效果[1]。為此，這時應(yīng)在原有算法之上進(jìn)行改善，對不同的塊實行方差計算，將有利的圖像信息予以濾除處理。再應(yīng)將8×8大小的宏塊，平均分成4個子塊，對子塊方差進(jìn)行計算，以此獲得加權(quán)平均數(shù)值。最后，將宏塊的方差數(shù)值，作為估算圖像方差的數(shù)值。

當(dāng)前，我國和國外一些國家對視頻降噪技術(shù)進(jìn)行了深入研究，時域濾波可構(gòu)成相對完善的理論機(jī)制。時域濾波，可很好的結(jié)合運(yùn)動估計模塊、運(yùn)動強(qiáng)度，明確現(xiàn)階段塊、匹配塊的時域濾波強(qiáng)度，與加權(quán)平均濾波相互適應(yīng)[2]。所使用的濾波器、時域加權(quán)平均系數(shù)，均為提前設(shè)定好且不能更改。這時，為實現(xiàn)時域濾波的效果，應(yīng)合理的調(diào)整算法，將時域加權(quán)濾波系數(shù)控制正常的范圍中。在視頻圖像濾波期間，參照運(yùn)動強(qiáng)度、噪聲方差情況，合理選擇濾波的系數(shù)，以此合理調(diào)節(jié)濾波系數(shù)閾值，獲得最理想的降噪效果。

（一）運(yùn)動估計原理

塊匹配運(yùn)動估計，通過M×N大小宏塊作為單位，選擇塊的大小。因為塊過小，易于發(fā)生電路運(yùn)算量增加情況，使得實際運(yùn)行的時間延長，無法充分發(fā)揮資源的最大作用。反之，容易產(chǎn)生匹配塊搜索問題，并且無法保證運(yùn)動估算結(jié)果的可信度[3]。針對于此，需結(jié)合電路具體需求選擇塊的大小。算法的主要原理，將幀圖像劃分成定量、不重疊的宏塊，以各個子塊作為運(yùn)動的質(zhì)點，以便為參考幀、匹配、搜索等提供有利的參照。最后，需做好最適宜的匹配塊，以及匹配塊位移記錄方面的工作，明確塊及匹配塊相對運(yùn)動位移情況、塊運(yùn)動矢量。塊匹配的標(biāo)準(zhǔn)：視頻圖像運(yùn)動估計的期間，會對匹配塊選取情況構(gòu)成直接影響，如：匹配、搜索、塊大小、視頻圖像攜帶噪聲等。所以，需考慮到電路設(shè)計的特點，在運(yùn)動估計時，保證硬件的實時性，旨在實現(xiàn)節(jié)約FPGA硬件資源的效果。

（二）運(yùn)動估計搜索方法

結(jié)合參考幀匹配塊算法準(zhǔn)則，使用全搜索算法處理，全搜索算法具有計算簡便、搜索效率高的特點，然而計算量較大。如果選擇8×8大小的搜索窗口，就需對64個像素點實行SAD計算。這時應(yīng)完善SAD值比較工作，選擇出最匹配的塊。相關(guān)研究人員表示，搜索算法主要經(jīng)三步搜索、四步搜索、菱形搜索、二維對數(shù)搜索等方法構(gòu)成。為充分發(fā)揮硬件資源的作用，可經(jīng)三步搜索法處理，這一方法存在簡單、高效搜索的優(yōu)勢。初始像素以0開始，選取4作為搜索步長，對四周點SAD值實行塊匹配計算，比較各點SAD值的差異性，將最小SAD值作為匹配點[4]。若上一步明確了最小SAD值，處于0的位置，可完成搜索。第二步最小SAD值，處于1的位置，即可結(jié)束搜索的任務(wù)。

（三）運(yùn)動強(qiáng)度檢測方法

按照以上匹配準(zhǔn)則、搜索方法可明確塊，但是時間軸會出現(xiàn)一定的移動變化，和靜止圖像比較，需實行時域濾波。因為受到運(yùn)動估計、搜索算法的影響，使得部分塊在參考幀中，可獲得匹配塊。若前一幀、后一幀，均沒有找到幀匹配塊，應(yīng)繼續(xù)實行時域平均濾波，防止持續(xù)視頻圖像質(zhì)量下降情況。

（四）噪聲方差估計單元算法

造成強(qiáng)度估計，會對視頻影像處理情況，構(gòu)成直接的影響。通過對噪聲方差估計電路進(jìn)行設(shè)計，做好視頻圖像噪聲強(qiáng)度檢測工作。運(yùn)動強(qiáng)度檢測模塊，需參照噪聲方差估計單元，對噪聲方差估計值實行計算，合理調(diào)整運(yùn)動強(qiáng)度檢測閾值，明確塊的實際運(yùn)動強(qiáng)度。視頻噪聲估計方法，主要包括：基于平滑法、基于小波變換法、基于塊法。

（五）時域濾波算法

數(shù)字視頻處理，能保留視頻圖像文理，將圖像中的噪聲消除。時域濾波，可建立在多幅視頻圖像加權(quán)平均基礎(chǔ)之上，對視頻圖像靜止位置通過連續(xù)圖像信號的作用，促使時域信息噪聲保持獨立狀態(tài)。然后，通過視頻圖像加權(quán)平均技術(shù)，保證視頻圖像的信噪比、圖像質(zhì)量。

（六）空域濾波算法

如果經(jīng)運(yùn)動估計獲得當(dāng)前塊、匹配塊運(yùn)動強(qiáng)度估計值＞估計閾值，此時應(yīng)調(diào)整為空域濾波方式處理。視頻圖像空域濾波，即為對單幅圖像信息處理的算法，借助視頻圖像明確空間區(qū)域的額相關(guān)性[5]。當(dāng)前，空域濾波算法比較多元化，快速中值濾波，屬于新型非線性去噪的方法，可保證圖像的清晰度。這一濾波工作的原理：將圖像中的所有像素點，通過一個濾波創(chuàng)口像素點取代，進(jìn)而達(dá)到降噪的效果。傳統(tǒng)的空域降噪有中值濾波，高斯濾波，雙邊濾波，復(fù)雜點的有小波域與DCT域濾波，其核心思想是變換到其它域分多頻段來進(jìn)行精細(xì)的濾波，在不同ISO下配合噪聲估計曲線進(jìn)行閾值控制，會得到較好的濾波效果。

二、數(shù)字視頻降噪算法硬件實現(xiàn)研究

（一）Verilog HDL的基本概述

Verilog HDL，屬于比較復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計、仿真開發(fā)硬件描述語言。在數(shù)字電路系統(tǒng)中，應(yīng)用分層時序建模期間，可達(dá)到較好的應(yīng)用效果。合理運(yùn)用Verilog HDL描述語言，結(jié)合電路功能具體要求、需求，獲得數(shù)字邏輯電路設(shè)計。為此，應(yīng)對電路提出具體設(shè)計要求，使其能分成小模塊，做好配置工程師的工作。然后，細(xì)分模塊，直至模塊大小完成周期設(shè)計工作，有效減少開發(fā)的時間。

（二）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

數(shù)字視頻降噪電路硬件實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)，主要由AXI總線、幀數(shù)據(jù)緩存、噪聲方差估計、運(yùn)動估計等模塊構(gòu)成。

1、AXI總線模塊設(shè)計要點

AXI，屬于高級擴(kuò)展的接口，有五個獨立通道(讀命令，讀數(shù)據(jù)，讀響應(yīng)，寫命令，寫數(shù)據(jù))，可實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸。實行AXI架構(gòu)，應(yīng)基于burst傳輸，對讀地址通道、讀數(shù)據(jù)通道，以及寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道、相應(yīng)通道等，提出明確的要求。其中，地址通道鎖攜帶控制信息，多在描述中被傳輸數(shù)據(jù)屬性，數(shù)據(jù)傳輸使用的寫通道，可達(dá)到主——從傳輸?shù)男Ч?，進(jìn)而一次性完成傳輸工作。

2、幀數(shù)據(jù)緩存模塊降噪要點

通過數(shù)字視頻降噪算法，對幀圖像實行有效處理，并做好數(shù)據(jù)的處理工作。如此一來，大容量存儲結(jié)構(gòu)能通過色彩空間轉(zhuǎn)換模塊，獲得亮度信號方面的數(shù)據(jù)。針對大容量存儲結(jié)構(gòu)來講，可通過ARAM作為存儲器，讀寫控制比較簡單，且可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性、數(shù)據(jù)效果清晰。

3、噪聲方差估計模塊降噪要點

運(yùn)動估計，對于圖像噪聲比較敏感，若噪聲較大，在實行運(yùn)動檢測的過程中，相對運(yùn)動較小塊，會受到噪聲影響容易被誤認(rèn)為空域濾波。此時會對降噪效果構(gòu)成不良影響，并且增加運(yùn)動估計的差錯率。為此，可使用基于塊方差加權(quán)平均方法，對數(shù)據(jù)大小如4×4的塊進(jìn)行處理，合理計算控制單元數(shù)據(jù)時序，可通過經(jīng)插入寄存器方法，控制時延，對各個像素數(shù)據(jù)達(dá)到輸入口噪聲方差加以有效計算。

4、運(yùn)動估計模塊降噪要點

運(yùn)動估計，即為電路模塊需實現(xiàn)的功能，對視頻圖像運(yùn)動情況進(jìn)行評判。視頻圖像運(yùn)動檢測方法較多，為滿足功能設(shè)計的要求、需求，應(yīng)基于匹配運(yùn)動進(jìn)行估計。基于塊匹配運(yùn)動估計算法，則需合理運(yùn)用鄰近的參考幀，因為這硬件的資源較大、操作簡單。因此，能夠保證運(yùn)動檢測的效果，按照既定的目標(biāo)進(jìn)行計算。

圖1 硬件框圖

5、運(yùn)動強(qiáng)度檢測、時域濾波、空域濾波降噪要點

運(yùn)動強(qiáng)度檢測模塊，主要對搜索獲得的匹配塊、當(dāng)前塊相對運(yùn)動狀況進(jìn)行評判?？沼驗V波降噪，可在較短的時間獲得中值濾波，明確FPGA硬件資源、開發(fā)成本的因素。這一模塊在硬件實現(xiàn)過程，應(yīng)選擇大尺寸的濾波窗口實行空域濾波降噪。 時域濾波降噪，主要應(yīng)用于運(yùn)動強(qiáng)度較小/相對靜止的視頻圖像中，降噪效果會受到時域濾波模塊所影響。

三、結(jié)語

數(shù)字視頻圖像降噪問題，為當(dāng)前首要解決的問題。當(dāng)前，我國科學(xué)技術(shù)的良好發(fā)展，使得越來越多數(shù)字視頻降噪算法出現(xiàn)。為充分利用數(shù)字視頻降噪算法，與硬件實現(xiàn)，應(yīng)考慮到視頻圖像邊緣信息，在滿足硬件條件基礎(chǔ)上，有效運(yùn)用不同的模塊實行計算，保證視頻圖像的清晰性。

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