一種基于FPGA的彩色圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)處理有很強(qiáng)的針對(duì)性，沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從一般的圖片、視頻欣賞角度來(lái)說(shuō)，濾除噪聲、擴(kuò)展對(duì)比度、銳化以及色彩增強(qiáng)等處理能顯著提升視覺(jué)效果。

　　這里設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)，包含增強(qiáng)對(duì)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(lái)說(shuō)，FPGA在性能和靈活性方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)比度擴(kuò)展

　　對(duì)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(shí)，壓縮不感興趣的灰度區(qū)間。最簡(jiǎn)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(guò)變換，線性拉伸了在a～b內(nèi)的灰度值，同時(shí)對(duì)[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(lái)說(shuō)，一般民用級(jí)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(guò)暗[0，a]和過(guò)亮[b，255]的灰度區(qū)間而增強(qiáng)中間區(qū)域的動(dòng)態(tài)范圍，可以避免灰階的浪費(fèi)。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(shù)，有目的有針對(duì)性地?cái)U(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(jué)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(duì)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(qiáng)。

　　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(zhuǎn)換很易用硬件實(shí)現(xiàn)，但是它們都不能很好適應(yīng)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)觀察一個(gè)彩色物體時(shí)，一般用色調(diào)、色飽和度和亮度這3個(gè)參量來(lái)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(gè)主觀的描述量。基于這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(zhǎng)歸一化為1，原點(diǎn)處為黑色，相對(duì)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(nèi)的點(diǎn)具有相同的亮度值。