基于模擬技術(shù)的圖像增強(qiáng)方法

   摘  要： 量化過程大量減少了圖像中低對(duì)比度信息，也會(huì)造成超出量化量程的圖像信息完全丟失。本文針對(duì)不能采用數(shù)字算法對(duì)以上圖像進(jìn)行有效增強(qiáng)的問題，提出使用模擬技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)的方法。該方法實(shí)現(xiàn)了模擬信息定位、提取、放大，從而正確添加原始信息，提高圖像分辨精度。其分辨能力遠(yuǎn)高于采用高分辨模數(shù)變換芯片所能達(dá)到的精度，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字方法無法獲取的圖像增強(qiáng)效果。

    關(guān)鍵詞： 圖像增強(qiáng)；相關(guān)雙采樣；圖像采集；對(duì)比度

    以數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)的技術(shù)由來已久。從傳統(tǒng)的直方圖修正到近年來基于小波變換的圖像增強(qiáng)、基于視覺特性的圖像增強(qiáng)等方法，數(shù)字增強(qiáng)取得了顯著成果?？墒菙?shù)字方法依賴于原圖量化后信息的完整性，是數(shù)字增強(qiáng)方法的先天局限性。現(xiàn)今很多領(lǐng)域在圖像增強(qiáng)方面提出了更高的要求，如數(shù)字X線圖像、霧天圖像、掌紋識(shí)別、衛(wèi)星遙感圖像、生物病變組織檢測(cè)等領(lǐng)域，都存在數(shù)字信息損失嚴(yán)重的問題，使用數(shù)字方法也沒有得到滿意的增強(qiáng)結(jié)果。

    針對(duì)上述問題，本文提出一種新的方法——模擬圖像增強(qiáng)方法。此方法通過對(duì)模擬信號(hào)幅值進(jìn)行定位、提取、放大，以改變模擬的信息量對(duì)比關(guān)系，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。

1 模擬增強(qiáng)的原理分析

    圖像的灰度量化范圍用方框的高度表示，如圖1所示。原圖在斜格內(nèi)的灰度信息集中，直接量化后得到的信息量較少。模擬增強(qiáng)方法將斜格內(nèi)的模擬信號(hào)定位、提取并放大，再進(jìn)入模數(shù)變換芯片得到模擬細(xì)節(jié)圖像，在此圖像中得到了豐富的信息量，實(shí)現(xiàn)了提高圖像分辨率的目的。在量化模擬細(xì)節(jié)圖像的同時(shí)，量化原圖信息，將量化后的原圖和模擬細(xì)節(jié)圖像進(jìn)行灰度映射，最終得到模擬增強(qiáng)圖像，可以拉伸圖像中感興趣的灰度細(xì)節(jié)信息。

    模擬信號(hào)的定位、提取可以通過模擬和差運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)一減去感興趣段灰度范圍的最小值，將得到模擬信息提取的結(jié)果。此過程在灰度直方圖中反映為坐標(biāo)軸右移，減去的灰度最小值就是坐標(biāo)軸右移的數(shù)值(以下稱此為過程為坐標(biāo)右移)。坐標(biāo)右移的方法同樣可將感興趣的超出量化量程的模擬信息反映在量化后的模擬增強(qiáng)圖像中。

    為了添加圖像量化信息，可以采用高分辨率模數(shù)變換芯片實(shí)現(xiàn)。本文方法與之相比較的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

    (1)在實(shí)現(xiàn)中，本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換芯片達(dá)不到的分辨精度。圖像處理通常使用8位精度，而提高到12位精度在實(shí)現(xiàn)中并不復(fù)雜，這樣分辨能力可以提高16倍。如果圖像信息要求繼續(xù)提高分辨率，有效精度到12位之上在實(shí)現(xiàn)中非常困難。而本文方法對(duì)信息在模擬階段進(jìn)行定位、提取并放大，使用模擬放大技術(shù)將模擬信號(hào)放大100倍是可靠簡(jiǎn)單的技術(shù)，而且視頻AD中都集成有可調(diào)增益放大器，如本文在后面試驗(yàn)中使用的10位視頻模數(shù)變換芯片AD9846A，在增益設(shè)定為40db，也就是對(duì)輸入信號(hào)放大100倍的情況下，其輸出在10位精度分辨下會(huì)產(chǎn)生4個(gè)最低有效位的錯(cuò)誤。而將其使用在8位精度時(shí)，由于模擬放大調(diào)整產(chǎn)生的錯(cuò)誤不超過1個(gè)最低有效位，因此，在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，對(duì)于8位分辨的數(shù)字圖像，本方法可以方便可靠地將感興趣的灰度段信息再提高100倍的分辨能力，而使用高精度模數(shù)變換芯片達(dá)到此精度將是極困難的。

    (2)提高分辨率增大了數(shù)字圖像信息，加重了后端數(shù)字處理的負(fù)擔(dān)。而本文的方法相當(dāng)于對(duì)模擬的信息進(jìn)行了非線性變換，其后進(jìn)行量化處理，所獲取信息的分辨率不變，不會(huì)加重后端數(shù)字處理負(fù)擔(dān)。

2 模擬圖像增強(qiáng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)

    圖2給出了電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。圖像傳感器選用了線陣傳感器TCD1209D。此圖像傳感器的上限輸出像素速率為20Mb/s，有效像素為2 048，全部像素為2 098。試驗(yàn)中其像素輸出速率設(shè)計(jì)為10Mb/s，行頻設(shè)定為4.7K/S，即光積分時(shí)間為1/4700s。在此工作速度下，選用10位視頻AD芯片AD9846A[1]，其采樣速度上限為30MS/s，可以滿足像素輸入速度要求；此視頻AD中還具有可調(diào)模擬增益放大器，通過SPI接口輸入放大倍數(shù)，可以方便對(duì)輸入的模擬信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整。處理器選擇TMS320DM642芯片，因?yàn)榇颂幚砥骶哂休斎胨俾?0M的視頻接口[2]，與處理器中的EDMA結(jié)合可以方便地輸入視頻數(shù)據(jù)流；還具有硬件系統(tǒng)中需要的I2C、SPI和MAC接口，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管控以及局域網(wǎng)接口。[!--empirenews.page--]

    下面描述系統(tǒng)的工作流程。

    首先采集觀察圖像，進(jìn)行灰度分析，確定合適的坐標(biāo)右移位置和細(xì)節(jié)圖像需放大的倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)CCD采集條件設(shè)定，圖2中以粗實(shí)線表示此過程。經(jīng)視頻AD1量化后的數(shù)字圖像由DSP的視頻接口輸入到DSP系統(tǒng)中，進(jìn)行灰度分析。其分析可以由圖像算法進(jìn)行目標(biāo)提取后獲取目標(biāo)圖像的灰度范圍來實(shí)現(xiàn)灰度分析的結(jié)果，也可以由灰度的統(tǒng)計(jì)分布情況進(jìn)行灰度分析。本文中給出由主導(dǎo)灰度的統(tǒng)計(jì)分布實(shí)現(xiàn)灰度分析的算法。算法如下：

    確定灰度直方圖中主導(dǎo)灰度的起始位置與范圍。

    設(shè)灰度直方圖中灰度值為ri，其分布函數(shù)為F(ri)，灰度量化為L(zhǎng)級(jí)，主導(dǎo)灰度的閾值為T。

    求出滿足公式（1）的所有的rij、rj的值：

    將坐標(biāo)右移的數(shù)值通過I2C接口傳遞到DAC芯片MAX5280進(jìn)行鎖存，將放大倍數(shù)通過SPI接口傳遞到視頻AD2的可編程增益控制器中決定細(xì)節(jié)圖像的放大倍數(shù)，從而完成采集條件的設(shè)定。

    然后進(jìn)行CCD的圖像采集增強(qiáng)，圖2中以細(xì)實(shí)線表示此過程：兩片視頻AD同時(shí)采集所觀察圖像的模擬信息，分別得到原圖圖像和細(xì)節(jié)圖像，在DSP中將原圖圖像和細(xì)節(jié)圖像進(jìn)行灰度映射得到模擬增強(qiáng)圖像，根據(jù)算法和觀察需要可選擇某幅圖像進(jìn)行處理。在本實(shí)現(xiàn)中，是將三幅圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到PC機(jī)中進(jìn)行顯示比較。

    模擬細(xì)節(jié)圖像的采集過程分五步進(jìn)行：

    (1)相關(guān)雙采樣[3]處理，濾除CCD信號(hào)中的低頻相關(guān)噪聲，獲得像素輸出電壓差。

    (2)信息定位。其具體實(shí)現(xiàn)電路可以有多種方案，本文給出一種實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的原理圖如圖3所示。

    放大器A1實(shí)現(xiàn)了輸入Sig_In的反向與vr′的疊加，放大器A2實(shí)現(xiàn)DAC輸出的直流電壓X的抬升，并且放大器A2的飽和溢出位置為vr′。

      放大器A1、A2需滿足電阻平衡要求，如公式（3）。

    選擇所有電阻均為1kΩ，可以滿足電阻平衡要求。 [!--empirenews.page--]

    放大器A1的輸出：

    將(4)式代入(5)式，并將電阻阻值1kΩ代入得輸出表達(dá)如下式：

    經(jīng)過以上變化后，模擬CCD信號(hào)如圖4所示。其中粗線表示變化后的信號(hào)，細(xì)線表示被抬升后的信號(hào)。由于放大器A2的飽和溢出位置為vr′，因此細(xì)線所示信號(hào)經(jīng)過放大器A2后并不輸出，達(dá)到了模擬信息定位的目的。

    (3)進(jìn)入視頻AD2芯片，再次通過相關(guān)雙采樣處理，獲得模擬定位后的像素輸出電壓差。

    (4)通過視頻AD2的可編程增益放大器，將信號(hào)幅值放大αβ倍（α來自CCD采集條件設(shè)定，β是原圖的放大倍數(shù)）。將定位后的模擬信息進(jìn)行提取。

    (5)量化后形成細(xì)節(jié)圖像。

    在圖像采集中，同步時(shí)序驅(qū)動(dòng)貫穿整個(gè)過程，圖2中以虛線表示。同步控制由FPGA實(shí)現(xiàn)，首先產(chǎn)生對(duì)線陣CCD的正確驅(qū)動(dòng)，在數(shù)字圖像的采集過程中，將線陣傳感器輸出拼接成一幅指定高度的數(shù)字圖像；其次正確驅(qū)動(dòng)相關(guān)雙采樣，根據(jù)CCD的輸出正確控制相關(guān)雙采樣中開關(guān)電容的動(dòng)作；最后產(chǎn)生正確的數(shù)據(jù)標(biāo)記時(shí)刻，包括正確標(biāo)記AD的采樣時(shí)刻與DSP的數(shù)據(jù)接收時(shí)刻。

    FPGA的時(shí)序如圖5所示。圖中OS信號(hào)是TCD1209D輸出的模擬信號(hào)。CLPOB信號(hào)用于控制視頻AD完成暗電平自動(dòng)校準(zhǔn)，因?yàn)門CD1209D的光學(xué)暗像素為B13～B28，而AD9846A要求自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間為2～20個(gè)像素時(shí)間，因此，設(shè)計(jì)中CLPOB的有效時(shí)刻從B13開始，持續(xù)了8個(gè)像素時(shí)間。SHP、SHD是視頻AD用來采樣暗電平和有效電平的信號(hào)，上升沿有效，其上升沿時(shí)刻需要在實(shí)現(xiàn)中給予關(guān)注以完成相關(guān)雙采樣的正確采樣。VP_EN是DM642視頻接口接收數(shù)據(jù)有效控制信號(hào)。由于AD9846A在10個(gè)像素時(shí)間后輸出采樣結(jié)果，因此VP_EN的有效時(shí)刻是在S11像素處。VP_CLK是視頻接口的時(shí)鐘信號(hào)，其上升沿有效。VP_data是視頻接口的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)D1是像素S1的數(shù)字采樣信息。TCD1209D的時(shí)序控制[4]可參照數(shù)據(jù)手冊(cè)，在圖5中并未繪出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    圖6給出了6幅圖像，除原圖外分別采用數(shù)字增強(qiáng)和模擬增強(qiáng)生成的圖像。

    原圖(a)為了清晰地拍攝菊花花瓣，采用了較強(qiáng)光源，同時(shí)也造成了下方的淺紋曝光過度。另外三張圖片對(duì)原圖使用數(shù)字方法進(jìn)行增強(qiáng)：(b)圖采用數(shù)字直方圖增強(qiáng)，(c)圖采用數(shù)字頻域銳化，(d)圖采用數(shù)字小波增強(qiáng)，它們從不同方面增強(qiáng)了原圖。但可以看出，它們都沒有提供原圖中由于曝光過度而丟失的淺紋信息。采用模擬增強(qiáng)技術(shù)達(dá)到了不同的效果——在模擬細(xì)節(jié)圖像(e)中采用坐標(biāo)右移與模擬放大技術(shù)添加了曝光過度丟失的淺紋信息，同時(shí)可以看出淺紋的對(duì)比度比原圖有明顯提高，接下來將細(xì)節(jié)圖像(e)與原圖(a)進(jìn)行變換，灰度映射成模擬增強(qiáng)圖像(f)，從中既可以清楚地看到菊花花瓣，也可以清楚地看到淺紋信息。

    本文針對(duì)數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)中存在的不足，提出一種基于模擬技術(shù)的圖像增強(qiáng)方法。通過分析與實(shí)驗(yàn)表明，模擬圖像增強(qiáng)具有數(shù)字算法圖像增強(qiáng)所不具備的優(yōu)勢(shì)，而這些功能都是用數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)不了的。本文所述的模擬圖像增強(qiáng)方法可以添加超出量化量程的丟失信息，也可以補(bǔ)充量化后低對(duì)比度中的有限信息，所補(bǔ)充信息的分辨程度可以達(dá)到采用高分辨模數(shù)變換芯片無法實(shí)現(xiàn)的精度，最終達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的，為后續(xù)的圖像識(shí)別或視覺觀察提供更有力的支持。