基于FPGA的彩色圖像增強系統(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)行圖像增強處理。圖像增強處理有很強的針對性，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、擴展對比度、銳化以及色彩增強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方案來說，FPGA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(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 對比度擴展
對比度擴展又稱灰度變換，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，使其看起來更鮮艷生動，層次感更強。
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；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：