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(jià)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(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，FPGA在性能和靈活性方面具有絕對優(yōu)勢，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(shí)，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(shí)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(fèi)。從另一個(gè)角度來講，通常一幅圖像所包含的過暗和過亮的像素點(diǎn)本來就是少數(shù)，有目的有針對性地?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(shí)現(xiàn)，但是它們都不能很好適應(yīng)實(shí)際上從人的角度來解釋的顏色。
研究表明，從人的角度來觀察一個(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(gè)RGB彩色空間的立方體模型，邊長歸一化為1，原點(diǎn)處為黑色，相對的頂點(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。
在立方體內(nèi)任取一點(diǎn)P，它與灰度軸確定一個(gè)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(gè)平面內(nèi)，三角形的3個(gè)頂點(diǎn)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(gè)平面內(nèi)的點(diǎn)具有與P點(diǎn)相同的色調(diào)，即等色調(diào)面。直觀地說，越靠近灰度軸的點(diǎn)，顏色越淡，所以色飽和度的定義就是該點(diǎn)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(shí)就完全沒有彩色。
實(shí)際上，用垂直于灰度軸的平面內(nèi)的彩色點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(gè)平面在灰度軸上的位置決定了平面內(nèi)所有點(diǎn)的亮度I。于是得到由RGB到HSI的轉(zhuǎn)換關(guān)系：