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一种基于FPGA的彩色图像增强系统的设计

gecimao 发表于 2019-05-09 21:08 | 查看: | 回复:

  在从图像源到终端显示的过程中,电路噪声、传输损耗等会造成图像质量下降,为了改善显示器的视觉效果,常常需要进行处理有很强的针对性,没有统一的评价标准,从一般的图片、视频欣赏角度来说,滤除噪声、扩展对比度、锐化以及色彩增强等处理能显著提升视觉效果。

  这里设计一个基于FPGA的实时视频图像处理系统,包含增强对比度扩展和色饱和度两种处理方法,相比于DSP和ASIC方案来说,FPGA在性能和灵活性方面具有绝对优势,应用FPGA设计视频通信系统更普遍。

  图像增强处理可以在频域和空间域进行,典型的频域方法如直方图增强处理,适合于软件系统实现;而硬件系统更适合于空间域处理,因此本文所述的处理方法都将在空间域进行。

  对比度扩展又称灰度变换,其目的是在拓展感兴趣的灰度区间的同时,压缩不感兴趣的灰度区间。最简单有效的方法是线性变换,满足以下关系:

  f(x,y)和g(x,y)分别表示输入图像和输出图像的灰度值。经过变换,线性拉伸了在a~b内的灰度值,同时对[0,a]和[b,255]灰度区间进行抑制。从显示设备的角度来说,一般民用级别的显示器都不具备完美表现256灰阶的能力,因此抑制过暗[0,a]和过亮[b,255]的灰度区间而增强中间区域的动态范围,可以避免灰阶的浪费。从另一个角度来讲,通常一幅图像所包含的过暗和过亮的像素点本来就是少数,有目的有针对性地扩展中间范围灰度而压缩两头的灰度,可增强图像质量,得到更好视觉效果,而图像信息的损失却很小。

  色彩增强的目的是在保证颜色不失真的前提下,有针对性地增加图像的色彩饱和程度,使其看起来更鲜艳生动,层次感更强。

  在彩色图像处理中,RGB、YCbCr、CMYK等是常用的色彩模型,其算法和相互间的转换很易用硬件实现,但是它们都不能很好适应实际上从人的角度来解释的颜色。

  研究表明,从人的角度来观察一个彩色物体时,一般用色调、色饱和度和亮度这3个参量来描述该物体。色调描述纯色的属性,而饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量。亮度即图像的明暗程度,是一个主观的描述量。基于这3个参量建立的HSI彩色模型是开发基于彩色描述的图像处理方法的理想工具。下面简单阐述HSI模型的原理。

  图1所示是一个RGB彩色空间的立方体模型,边长归一化为1,原点处为黑色,相对的顶点处为白色。连接黑白两点得到灰度轴,这根轴上的饱和度为0,即没有彩色分量。在灰度轴上有相同投影点的点具有相同的亮度,即垂直于灰度轴的平面内的点具有相同的亮度值。

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