圖像增強處理有很強的針對性,，沒有統(tǒng)一的評價標準,，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,，F(xiàn)PGA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,，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：
1.2.2 色飽和度增強算法
HSI模型可以方便地對色調(diào)和飽和度進行調(diào)整,，但是其運算比較復(fù)雜，很難用硬件來實現(xiàn)。不過根據(jù)其原理,，可以直接在RGB空間進行色飽和度的調(diào)整,。這里假設(shè)RGB立方體內(nèi)任一點P(r，g,，b),，容易求出其在灰度軸上的投影點P*
，連接P和P*,，這是一條等色調(diào)線,，如圖3所示。
只要在P*P的延長線上找到合適的點(如P1或P2),，就可以對P點的飽和度進行增強,。由于已知P和P*的坐標，可以求得直線P*P方程：
令式(6)的值為t,，可求得直線P*P的參數(shù)方程：
則色飽和度的調(diào)整就可通過調(diào)整t的取值來實現(xiàn),。當t∈(-1，0)時,，得到的點在P*和P之間,，飽和度減弱;當t>O時,，得到的點在P*P之外,，飽和度增強。
2 設(shè)計思路
2.1 對比度擴展
用硬件實現(xiàn)浮點運算效率較低,，這里采用查表的方法,，在YCbCr空間進行灰度變換，如圖4所示,。
2.2 色飽和度增強
色飽和度調(diào)整在RGB空間進行,，設(shè)計為流水線操作，如圖5所示,。
色飽和度增強是有針對性的,，對于不同色飽和度的像素要作不同的處理?？梢园岩环鶊D像的色飽和度分為4個等級,，對于色飽和度低的像素進行增強處理，而對于飽和度很高的像素則不進行處理甚至是抑制處理,。圖5所示是進行2級的色飽和度調(diào)整的流水線操作：第1級令t=1,，運算結(jié)果若溢出則轉(zhuǎn)入第2級調(diào)整(t=0.5)。若運算結(jié)果還是溢出,，則輸出保持原輸入值(iR,，iC，iB),。流水線操作使得平均每個像素的飽和度調(diào)整只需1個時鐘周期就能完成,，只是輸入相對輸出有6個時鐘周期的延時,。為了達到更好的效果，可以增加飽和度調(diào)整運算的級數(shù),，后果是需要占用更多的硬件資源以及帶來更長的延時,。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該實驗平臺為Ahera公司的DE2開發(fā)板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,。
4 測試結(jié)果
用ModelSim對灰度變換模塊進行仿真的結(jié)果,，如圖7所示。對色飽和度增強模塊進行仿真的結(jié)果,，如圖8所示,。
視頻圖像測試對比效果如圖9和圖10所示。
5 結(jié)論
由實驗結(jié)果可知,，該方法能有效改善圖像畫質(zhì),，提升視覺效果。色飽和度增強處理由于其算法的特點,，用硬件系統(tǒng)很難做到實時處理,。從基本原理出發(fā)，找到一種比較簡便的,，在RGB空間就能進行的色飽和度增強處理方法,，在滿足實時性要求的同時，能有效達到色彩增強的目的,。但也是由于視頻圖像處理的實時性要求以及硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的特點,，該方法更多地講究效率，某些細節(jié)部分還不夠完善,，比如色彩失真等問題,。進一步研究重點可能就在于如何優(yōu)化硬件配置以及解決算法中浮點運算的問題。