基于FPGA的彩色圖像增強(qiáng)系統(tǒng)

在從圖像源到終端顯示的過程中，電路噪聲、傳輸損耗等會造成圖像質(zhì)量下降，為了改善顯示器的視覺效果，常常需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)處理有很強(qiáng)的針對性，沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，從一般的圖片、視頻欣賞角度來說，濾除噪聲、擴(kuò)展對比度、銳化以及色彩增強(qiáng)等處理能顯著提升視覺效果。
    這里設(shè)計一個基于FPGA的實時視頻圖像處理系統(tǒng)，包含增強(qiáng)對比度擴(kuò)展和色飽和度兩種處理方法，相比于DSP和ASIC方案來說，F(xiàn)PGA在性能和靈活性方面具有絕對優(yōu)勢，應(yīng)用FPGA設(shè)計視頻通信系統(tǒng)更普遍。

1 原理和算法
    圖像增強(qiáng)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(qiáng)處理，適合于軟件系統(tǒng)實現(xiàn)；而硬件系統(tǒng)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(kuò)展
    對比度擴(kuò)展又稱灰度變換，其目的是在拓展感興趣的灰度區(qū)間的同時，壓縮不感興趣的灰度區(qū)間。最簡單有效的方法是線性變換，滿足以下關(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)過變換，線性拉伸了在a～b內(nèi)的灰度值，同時對[0，a]和[b，255]灰度區(qū)間進(jìn)行抑制。從顯示設(shè)備的角度來說，一般民用級別的顯示器都不具備完美表現(xiàn)256灰階的能力，因此抑制過暗[0，a]和過亮[b，255]的灰度區(qū)間而增強(qiáng)中間區(qū)域的動態(tài)范圍，可以避免灰階的浪費。從另一個角度來講，通常一幅圖像所包含的過暗和過亮的像素點本來就是少數(shù)，有目的有針對性地擴(kuò)展中間范圍灰度而壓縮兩頭的灰度，可增強(qiáng)圖像質(zhì)量，得到更好視覺效果，而圖像信息的損失卻很小。
1．2 色彩增強(qiáng)
    色彩增強(qiáng)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，使其看起來更鮮艷生動，層次感更強(qiáng)。
1．2．1 HSI模型簡介
    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(zhuǎn)換很易用硬件實現(xiàn)，但是它們都不能很好適應(yīng)實際上從人的角度來解釋的顏色。
    研究表明，從人的角度來觀察一個彩色物體時，一般用色調(diào)、色飽和度和亮度這3個參量來描述該物體。色調(diào)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，是一個主觀的描述量?；谶@3個參量建立的HSI彩色模型是開發(fā)基于彩色描述的圖像處理方法的理想工具。下面簡單闡述HSI模型的原理。

    圖1所示是一個RGB彩色空間的立方體模型，邊長歸一化為1，原點處為黑色，相對的頂點處為白色。連接黑白兩點得到灰度軸，這根軸上的飽和度為0，即沒有彩色分量。在灰度軸上有相同投影點的點具有相同的亮度，即垂直于灰度軸的平面內(nèi)的點具有相同的亮度值。
    在立方體內(nèi)任取一點P，它與灰度軸確定一個平面。根據(jù)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(nèi)的3種顏色產(chǎn)生的，在這個平面內(nèi)，三角形的3個頂點分別是黑色、白色和P的顏色，而黑色和白色是不能改變色調(diào)的，所以這個平面內(nèi)的點具有與P點相同的色調(diào)，即等色調(diào)面。直觀地說，越靠近灰度軸的點，顏色越淡，所以色飽和度的定義就是該點與灰度軸的距離：距離越遠(yuǎn)，飽和度越強(qiáng)；距離越近，飽和度越弱；距離為0則飽和度也為0，這時就完全沒有彩色。
    實際上，用垂直于灰度軸的平面內(nèi)的彩色點軌跡來表示HSI空間(等亮度面)。當(dāng)平面沿灰度軸上下移動時，由于立方體邊界的切割而構(gòu)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Q，若以紅軸作參考，則Q向量與紅軸的夾角H決定其色調(diào)，而向量長度S決定其飽和度，整個平面在灰度軸上的位置決定了平面內(nèi)所有點的亮度I。于是得到由RGB到HSI的轉(zhuǎn)換關(guān)系：
   
               
1．2．2 色飽和度增強(qiáng)算法
    HSI模型可以方便地對色調(diào)和飽和度進(jìn)行調(diào)整，但是其運算比較復(fù)雜，很難用硬件來實現(xiàn)。不過根據(jù)其原理，可以直接在RGB空間進(jìn)行色飽和度的調(diào)整。這里假設(shè)RGB立方體內(nèi)任一點P(r，g，b)，容易求出其在灰度軸上的投影點P*，連接P和P*，這是一條等色調(diào)線，如圖3所示。

    只要在P*P的延長線上找到合適的點(如P1或P2)，就可以對P點的飽和度進(jìn)行增強(qiáng)。由于已知P和P*的坐標(biāo)，可以求得直線P*P方程：
   
    令式(6)的值為t，可求得直線P*P的參數(shù)方程：
   
    則色飽和度的調(diào)整就可通過調(diào)整t的取值來實現(xiàn)。當(dāng)t∈(-1，0)時，得到的點在P*和P之間，飽和度減弱；當(dāng)t>O時，得到的點在P*P之外，飽和度增強(qiáng)。

2 設(shè)計思路
2．1 對比度擴(kuò)展
    用硬件實現(xiàn)浮點運算效率較低，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(qiáng)
    色飽和度調(diào)整在RGB空間進(jìn)行，設(shè)計為流水線操作，如圖5所示。

    色飽和度增強(qiáng)是有針對性的，對于不同色飽和度的像素要作不同的處理。可以把一幅圖像的色飽和度分為4個等級，對于色飽和度低的像素進(jìn)行增強(qiáng)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(diào)整的流水線操作：第1級令t=1，運算結(jié)果若溢出則轉(zhuǎn)入第2級調(diào)整(t=0．5)。若運算結(jié)果還是溢出，則輸出保持原輸入值(iR，iC，iB)。流水線操作使得平均每個像素的飽和度調(diào)整只需1個時鐘周期就能完成，只是輸入相對輸出有6個時鐘周期的延時。為了達(dá)到更好的效果，可以增加飽和度調(diào)整運算的級數(shù)，后果是需要占用更多的硬件資源以及帶來更長的延時。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該實驗平臺為Ahera公司的DE2開發(fā)板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 測試結(jié)果
    用ModelSim對灰度變換模塊進(jìn)行仿真的結(jié)果，如圖7所示。對色飽和度增強(qiáng)模塊進(jìn)行仿真的結(jié)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(jié)論
    由實驗結(jié)果可知，該方法能有效改善圖像畫質(zhì)，提升視覺效果。色飽和度增強(qiáng)處理由于其算法的特點，用硬件系統(tǒng)很難做到實時處理。從基本原理出發(fā)，找到一種比較簡便的，在RGB空間就能進(jìn)行的色飽和度增強(qiáng)處理方法，在滿足實時性要求的同時，能有效達(dá)到色彩增強(qiáng)的目的。但也是由于視頻圖像處理的實時性要求以及硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的特點，該方法更多地講究效率，某些細(xì)節(jié)部分還不夠完善，比如色彩失真等問題。進(jìn)一步研究重點可能就在于如何優(yōu)化硬件配置以及解決算法中浮點運算的問題。