基于FPGA的圖像增強視頻處理系統

　　這里設計一個(gè)基于FPGA的實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統，包含增強對比度擴展和色飽和度兩種處理方法，相比于DSP和ASIC方案來(lái)說(shuō)，FPGA在性能和靈活性方面具有絕對優(yōu)勢，應用FPGA設計視頻通信系統更普遍。

　　1 原理和算法

　　圖像增強處理可以在頻域和空間域進(jìn)行，典型的頻域方法如直方圖增強處理，適合于軟件系統實(shí)現;而硬件系統更適合于空間域處理，因此本文所述的處理方法都將在空間域進(jìn)行。

　　1. 1 對比度擴展

　　對比度擴展又稱(chēng)灰度變換，其目的是在拓展感興趣的灰度區間的同時(shí)，壓縮不感興趣的灰度區間。最簡(jiǎn)單有效的方法是線(xiàn)性變換，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

　　f(x，y)和g(x，y)分別表示輸入圖像和輸出圖像的灰度值。經(jīng)過(guò)變換，線(xiàn)性拉伸了在a～b內的灰度值，同時(shí)對[0，a]和[b，255]灰度區間進(jìn)行抑制。從顯示設備的角度來(lái)說(shuō)，一般民用級別的顯示器都不具備完美表現256灰階的能力，因此抑制過(guò)暗[0，a]和過(guò)亮[b，255]的灰度區間而增強中間區域的動(dòng)態(tài)范圍，可以避免灰階的浪費。從另一個(gè)角度來(lái)講，通常一幅圖像所包含的過(guò)暗和過(guò)亮的像素點(diǎn)本來(lái)就是少數，有目的有針對性地擴展中間范圍灰度而壓縮兩頭的灰度，可增強圖像質(zhì)量，得到更好視覺(jué)效果，而圖像信息的損失卻很小。

　　1.2 色彩增強

　　色彩增強的目的是在保證顏色不失真的前提下，有針對性地增加圖像的色彩飽和程度，使其看起來(lái)更鮮艷生動(dòng)，層次感更強。

　　1.2.1 HSI模型簡(jiǎn)介

　　在彩色圖像處理中，RGB、YCbCr、CMYK等是常用的色彩模型，其算法和相互間的轉換很易用硬件實(shí)現，但是它們都不能很好適應實(shí)際上從人的角度來(lái)解釋的顏色。

　　研究表明，從人的角度來(lái)觀(guān)察一個(gè)彩色物體時(shí)，一般用色調、色飽和度和亮度這3個(gè)參量來(lái)描述該物體。色調描述純色的屬性，而飽和度給出一種純色被白光稀釋的程度的度量。亮度即圖像的明暗程度，是一個(gè)主觀(guān)的描述量?；谶@3個(gè)參量建立的HSI彩色模型是開(kāi)發(fā)基于彩色描述的圖像處理方法的理想工具。下面簡(jiǎn)單闡述HSI模型的原理。

　　圖1所示是一個(gè)RGB彩色空間的立方體模型，邊長(cháng)歸一化為1，原點(diǎn)處為黑色，相對的頂點(diǎn)處為白色。連接黑白兩點(diǎn)得到灰度軸，這根軸上的飽和度為0，即沒(méi)有彩色分量。在灰度軸上有相同投影點(diǎn)的點(diǎn)具有相同的亮度，即垂直于灰度軸的平面內的點(diǎn)具有相同的亮度值。

　　在立方體內任取一點(diǎn)P，它與灰度軸確定一個(gè)平面。根據顏色學(xué)的理論，所有顏色都是由位于那些顏色定義的三角形內的3種顏色產(chǎn)生的，在這個(gè)平面內，三角形的3個(gè)頂點(diǎn)分別是黑色、白色和P的顏色，而黑色和白色是不能改變色調的，所以這個(gè)平面內的點(diǎn)具有與P點(diǎn)相同的色調，即等色調面。直觀(guān)地說(shuō)，越靠近灰度軸的點(diǎn)，顏色越淡，所以色飽和度的定義就是該點(diǎn)與灰度軸的距離：距離越遠，飽和度越強;距離越近，飽和度越弱;距離為0則飽和度也為0，這時(shí)就完全沒(méi)有彩色。

　　實(shí)際上，用垂直于灰度軸的平面內的彩色點(diǎn)軌跡來(lái)表示HSI空間(等亮度面)。當平面沿灰度軸上下移動(dòng)時(shí)，由于立方體邊界的切割而構成的橫截面所決定的邊界呈三角形或呈六邊形。這里以六邊形為例，如圖2所示。

　　由圖2看出，三原色是按120°分割的，青、品紅和黃被稱(chēng)為二次色，也是按120°分割，一次色與二次色之間相隔60°。圖中任給出一點(diǎn)Q，若以紅軸作參考，則Q向量與紅軸的夾角H決定其色調，而向量長(cháng)度S決定其飽和度，整個(gè)平面在灰度軸上的位置決定了平面內所有點(diǎn)的亮度I。于是得到由RGB到HSI的轉換關(guān)系：

　　1.2.2 色飽和度增強算法

　　HSI模型可以方便地對色調和飽和度進(jìn)行調整，但是其運算比較復雜，很難用硬件來(lái)實(shí)現。不過(guò)根據其原理，可以直接在RGB空間進(jìn)行色飽和度的調整。這里假設RGB立方體內任一點(diǎn)P(r，g，b)，容易求出其在灰度軸上的投影點(diǎn)P*

　　只要在P*P的延長(cháng)線(xiàn)上找到合適的點(diǎn)(如P1或P2)，就可以對P點(diǎn)的飽和度進(jìn)行增強。由于已知P和P*的坐標，可以求得直線(xiàn)P*P方程：

　　令式(6)的值為t，可求得直線(xiàn)P*P的參數方程：

　　則色飽和度的調整就可通過(guò)調整t的取值來(lái)實(shí)現。當t∈(-1，0)時(shí)，得到的點(diǎn)在P*和P之間，飽和度減弱;當t>O時(shí)，得到的點(diǎn)在P*P之外，飽和度增強。

　　2 設計思路

　　2.1 對比度擴展

　　用硬件實(shí)現浮點(diǎn)運算效率較低，這里采用查表的方法，在YCbCr空間進(jìn)行灰度變換，如圖4所示。

　　2.2 色飽和度增強

　　色飽和度調整在RGB空間進(jìn)行，設計為流水線(xiàn)操作，如圖5所示。

　　色飽和度增強是有針對性的，對于不同色飽和度的像素要作不同的處理?？梢园岩环鶊D像的色飽和度分為4個(gè)等級，對于色飽和度低的像素進(jìn)行增強處理，而對于飽和度很高的像素則不進(jìn)行處理甚至是抑制處理。圖5所示是進(jìn)行2級的色飽和度調整的流水線(xiàn)操作：第1級令t=1，運算結果若溢出則轉入第2級調整(t=0.5)。若運算結果還是溢出，則輸出保持原輸入值(iR，iC，iB)。流水線(xiàn)操作使得平均每個(gè)像素的飽和度調整只需1個(gè)時(shí)鐘周期就能完成，只是輸入相對輸出有6個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。為了達到更好的效果，可以增加飽和度調整運算的級數，后果是需要占用更多的硬件資源以及帶來(lái)更長(cháng)的延時(shí)。

　　3 系統結構

　　該實(shí)驗平臺為Ahera公司的DE2開(kāi)發(fā)板。系統結構如圖6所示。

　　4 測試結果

　　用ModelSim對灰度變換模塊進(jìn)行仿真的結果，如圖7所示。對色飽和度增強模塊進(jìn)行仿真的結果，如圖8所示。

　　視頻圖像測試對比效果如圖9和圖10所示。

　　5 結論

　　由實(shí)驗結果可知，該方法能有效改善圖像畫(huà)質(zhì)，提升視覺(jué)效果。色飽和度增強處理由于其算法的特點(diǎn)，用硬件系統很難做到實(shí)時(shí)處理。從基本原理出發(fā)，找到一種比較簡(jiǎn)便的，在RGB空間就能進(jìn)行的色飽和度增強處理方法，在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，能有效達到色彩增強的目的。但也是由于視頻圖像處理的實(shí)時(shí)性要求以及硬件系統實(shí)現的特點(diǎn)，該方法更多地講究效率，某些細節部分還不夠完善，比如色彩失真等問(wèn)題。進(jìn)一步研究重點(diǎn)可能就在于如何優(yōu)化硬件配置以及解決算法中浮點(diǎn)