图像分割（三） 之基于FPGA的局部自适应分割

图像分割（三）

之基于FPGA的局部自适应分割

在前面讲的自适应分割的原理如下:

由公式可以看出，窗口的分割值是对图像进行开窗，并计算窗口内的像素均值和标准差，分割值为像素均值和标准差的加权和。

在软件中，不考虑计算效率的情况下，这个计算是轻而易举的事情。但是，需要注意到，在计算分割值的过程中，首先要计算窗口内像素的方差，然后才能对方差进行开方计算标准差。在FPGA里面计算开方是一件费时费力的工作，所以对不等式进行一个等价转换。

为了便于理解，不妨假设目前的输入像素值为din，经算法处理后的输出数据为dout，

这样就只需要得到当前数据din，计算当前窗口内均值和方差即可，这样就可以避免开方操作，简化了系统设计。

将δ2带入上述公式中，则有

若取r=7，K=1，则上式转化为

FPGA需要完成一下计算工作：

1) 计算当前窗口内的像素均值μ。

2) 计算当前窗口中心像素与均值之差的平方（din-μ)2。

3) 将上式与255相乘，完成不等式左边的计算。

4) 计算当前窗口内255个像素值与均值之差的平方和，完成不等式右边的计算。

5) 比较（3）和（4）结果，完成图像分割。

6) 完成行列对齐与边界处理。

根据以上设计步骤，给出FPGA的顶层设计框图如下：

由图可以看出，要完成图像的局部高斯分割工作，需要调用一个均值计算模块mean_2d来计算当前窗口内的像素均值μ。

同时，为了在“同一时刻”计算出当前窗口内所有像素与窗口均值的差平方，还必须要对以前像素为中心的窗口的所有255个像素进行缓存。对15x15个像素的缓存不是一件非常容易的事，这里将指定尺寸的窗口缓存封装成一个模块，记为win_buf，把这个模块的当前输出像素记为din_buf。

不等式左边的计算比较简单，窗口缓存的中间值即为当前像素值，记为din_org，与均值做减法，求平均后再乘以255即可得到。

现在得到了窗口均值μ和当前窗口的像素队列255个din_buf，需要做的是把窗口内255个din_buf分别与均值相减后计算平方。接下来的工作就是把上面这255个差平方结果求和。同样的，15x15个数的加法运算也是非常麻烦的，这里也会将其封装成一个模块，记为add_tree。最后将不等式进行比较，利用比较结果对原图像进行分割即可。