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高清摄像机因高分辨率、高清晰度备受消费者的青睐和喜爱。随着科技的进步,高清摄像机在日常生活、交通监视以及航空航天研究等领域的优势体现的更为明显。高清摄像机提供了更高的分辨率,但同时带来了更高的运算复杂度。为了提升高清摄像机图像质量和满足实时处理的需求,面向硬件实现的图像预处理算法的研究和实现成为其关键因素。本文是基于自主研发的高清相机的实际需求,对图像的预处理过程中的图像滤波和噪声估计算法进行改进优化。在保证主观视觉上滤波性能的前提下,对目前业界公认的最好的图像去噪算法BM3D算法进行面向硬件设计改进优化,目的是使硬件能够达到对高清视频图像进行实时三维去噪。同时本文提出了针对夜景图像的噪声估计方法,解决夜景图像中噪声淹没现象导致的图像噪声欠估计问题。为提升图像质量,解决图像噪声污染的问题并实现实时处理,本文在图像滤波方面做了以下工作。首先,考虑到FPGA硬件实现的难度和资源利用情况,在原始BM3D算法的基础上,对块匹配的参数、联合滤波的类型以及聚合方法的选取上进行调整和优化,使得图像滤波算法在低噪声水平下的性能可以得到保证,同时硬件可以达到对高清视频图像的实时处理。其次,为了主观和客观地说明硬件可实现三维滤波算法去噪的有效性,利用图像质量评价方法如PSNR、PSNR-HVS、SSIM、VIF对上述简化调整各步骤进行了评价和说明分析。然后,与目前硬件实现比较成熟的NLM方法进行性能对比。实验结果表明硬件可实现的三维滤波方法兼顾了滤波图像质量的性能和硬件实现的高效性,实现了高清摄像机三维滤波算法实时处理的目标。对于夜景图像,暗黑区域出现噪声淹没现象,使得目前先进噪声估计算法存在噪声欠估计问题。为了提高夜景图像噪声估计方法的精确度做了以下工作。本文首先对噪声淹没问题进行了详细的解释和说明。与此同时提出了一种基于整数DCT变换的噪声估计算法,其优势有以下三个方面:首先,利用AC系数作为分块的均匀度度量,有利于硬件的实现。其次,利用DC系数作为分块平均亮度的度量来约束均匀块的搜索区间,从而避免将暗黑区域纳入计算图像参考方差的范畴,有效的避免了夜景图像噪声欠估计现象的发生。然后,整数DCT变换代替先前的DCT变换,减少浮点运算,便于噪声估计算法的硬件实现。