一種基于FPGA的彩色圖像增強系統的設計

　　在從圖像源到終端顯示的過(guò)程中，電路噪聲、傳輸損耗等會(huì )造成圖像質(zhì)量下降，為了改善顯示器的視覺(jué)效果，常常需要進(jìn)行圖像增強處理。圖像增強處理有很強的針對性，沒(méi)有統一的評價(jià)標準，從一般的圖片、視頻欣賞角度來(lái)說(shuō)，濾除噪聲、擴展對比度、銳化以及色彩增強等處理能顯著(zhù)提升視覺(jué)效果。

　　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。