改進(jìn)的圖像增強(qiáng)算法及DSP實(shí)現(xiàn)

蘇春莉，王艷君

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

改進(jìn)的圖像增強(qiáng)算法及DSP實(shí)現(xiàn)

蘇春莉，王艷君

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

文中基于圖像增強(qiáng)方法及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。首先闡述了傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出了改進(jìn)的自適應(yīng)直方圖均衡化圖像增強(qiáng)算法。采用空閑灰度級(jí)動(dòng)態(tài)分配的自適應(yīng)直方圖均衡化增強(qiáng)算法，并將該算法移植到本文搭建的DSP硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，該算法顯著的改善了圖像的視覺(jué)效果，使圖像更清晰，且算法計(jì)算簡(jiǎn)單，硬件實(shí)現(xiàn)容易，在圖像處理應(yīng)用中十分可行有效。

圖像增強(qiáng)；直方圖均衡化；DSP；CCS

圖像增強(qiáng)作為圖像處理的重要組成部分，應(yīng)用非常廣泛。比如交通監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)影像等。圖像增強(qiáng)是指按照一定的應(yīng)用需求，對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，突出圖像的某些信息，消弱或去除不需要的信息，改善圖像的視覺(jué)效果，提高圖像成分的清晰度，得到對(duì)具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)更實(shí)用的圖像，或?qū)⒃瓐D像轉(zhuǎn)換成一種適合人或機(jī)器進(jìn)行處理的形式[1]。

圖像增強(qiáng)方法主要分為兩大類(lèi)：基于空間域方法和基于頻域方法。對(duì)于空間域這類(lèi)方法，是以對(duì)圖像的每個(gè)像素點(diǎn)直接進(jìn)行處理為基礎(chǔ)的，它主要有直方圖處理、直接灰度變換等。頻域增強(qiáng)技術(shù)則是以修改圖像的傅氏變化作為基礎(chǔ)，它主要有：高通濾波、低通濾波等。這些方法都是傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)技術(shù)，隨著人們對(duì)圖像增強(qiáng)技術(shù)研究的不斷深入，目前也出現(xiàn)了新的增強(qiáng)方法：基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)增強(qiáng)法、模糊增強(qiáng)法等等。這些方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，一種方法不可能完全取代其它所有方法，一種圖像增強(qiáng)算法不可能對(duì)所有類(lèi)型的圖像都有很好的增強(qiáng)效果。本文在空間域上，提出了空閑灰度級(jí)動(dòng)態(tài)分配的自適應(yīng)直方圖均衡化圖像增強(qiáng)算法[2]，從實(shí)現(xiàn)的難易程度以及處理效果來(lái)看，該算法簡(jiǎn)單有效，實(shí)現(xiàn)容易，對(duì)視頻圖像有一定的增強(qiáng)作用。

1 改進(jìn)的直方圖均衡化圖像增強(qiáng)算法

1.1 傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法

傳統(tǒng)的直方圖均衡化增強(qiáng)算法是針對(duì)整幅輸入圖像進(jìn)行同一處理，以此來(lái)增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。其基本思想是：通過(guò)把原始圖像的直方圖變換成均勻分布的形式來(lái)增加像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果。當(dāng)圖像的直方圖呈均勻分布時(shí)，圖像所包含的信息熵最大，故經(jīng)直方圖均衡化處理以后圖像包含的信息量最大，圖像看起來(lái)也就顯得清晰。

該方法存在一定的問(wèn)題，因?yàn)樗奶幚硎且?56個(gè)灰度級(jí)別中每一灰度級(jí)出現(xiàn)概率的大小作為增強(qiáng)處理的依據(jù)，而在去霧圖像中所需增強(qiáng)的目標(biāo)部分其灰度級(jí)出現(xiàn)概率較小，故進(jìn)行全局均衡化增強(qiáng)處理時(shí)，目標(biāo)圖像因受背景圖像的影響而出現(xiàn)灰度級(jí)簡(jiǎn)并現(xiàn)象，使得圖像中需增強(qiáng)的細(xì)節(jié)信息出現(xiàn)丟失。

為克服傳統(tǒng)處理方法所造成的簡(jiǎn)并現(xiàn)象，以及降低局域增強(qiáng)算法的運(yùn)算復(fù)雜度，文中采用改進(jìn)的“空閑灰度級(jí)動(dòng)態(tài)分配的自適應(yīng)直方圖均衡化增強(qiáng)算法”。

1.2 改進(jìn)的自適應(yīng)直方圖均衡化增強(qiáng)算法

通過(guò)對(duì)原算法的大量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)直接將灰度增強(qiáng)算法應(yīng)用于彩色圖像，處理結(jié)果會(huì)出現(xiàn)色彩失真現(xiàn)象。為了保證增強(qiáng)處理不會(huì)造成圖像色彩的失真，本文選擇在RGB彩色空間對(duì)圖像進(jìn)行處理[3]。采用對(duì)RGB統(tǒng)一統(tǒng)計(jì)的方法，以得到圖像的直方圖，在此直方圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行直方圖均衡化，對(duì)R、G、B 3個(gè)分量使用同一非線性拉伸函數(shù)進(jìn)行處理。改進(jìn)后算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

1 )色度空間轉(zhuǎn)換

首先采用工業(yè)攝像頭作為視覺(jué)傳感器，其采集來(lái)的模擬視頻信號(hào)經(jīng)視頻解碼芯片解碼后輸出為4:2:2格式的YUV信號(hào)。由于本算法是在RGB彩色空間進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，故在算法處理之前需進(jìn)行預(yù)處理，即完成YUV到RGB視頻格式的轉(zhuǎn)換。

2 )閾值的選取

閾值法[4-5]是一種最為簡(jiǎn)單、最為常用的圖像分割方法，它用于將圖像灰度級(jí)別劃分為多個(gè)部分的灰度門(mén)限值。這里采用二次迭代法進(jìn)行閾值的求取。

二次迭代法的主要求解過(guò)程為：

①根據(jù)下式求出初始閾值：

② 根據(jù)初始閾值T0將256個(gè)灰度級(jí)劃分為兩部分，即[0,T0]和[T0+1,255]。然后對(duì)這兩部分灰度區(qū)間分別求取平均灰度值，記為T(mén)small和Tbig，依據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算新的分割閾值：T1=(Tsmall+Tbig) /2，將T1替代T0作為新的全局閾值。此時(shí)整個(gè)灰度區(qū)間被劃分為[0,T1]和[T1+1,255]兩個(gè)部分。

3 ) 直方圖均衡化處理[2]

首先進(jìn)行空閑灰度級(jí)的統(tǒng)計(jì)。所謂空閑灰度級(jí)，理論上來(lái)講指的就是在灰度范圍內(nèi)從未出現(xiàn)的灰度級(jí)，即出現(xiàn)頻率為0的灰度級(jí)。但是，在實(shí)際采集到的圖像中，由于各種原因，不可能出現(xiàn)絕對(duì)空閑灰度級(jí)，此時(shí)可將出現(xiàn)頻率在定值m以下的所有灰度級(jí)視為空閑灰度級(jí)。

將空閑灰度級(jí)總數(shù)N按比例分配。在此，定義A、B分別表示分配到區(qū)間[0,T1]和[T1+1,255]上的空閑灰度級(jí)別數(shù)，定義M表示區(qū)間[0,T1]內(nèi)的非空閑級(jí)別個(gè)數(shù)。則A、B的求值公式如下：

將空閑灰度級(jí)按比例分配到區(qū)間[0,T1]和[T1+1,255]上后，可以得到一個(gè)新的分割閾值T2，新閾值的求解公式為：T2=M+A

依據(jù)上式求出新閾值T2，可以確定灰度區(qū)間[0,T1]和[T1+1,255]經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的灰度區(qū)域變換范圍，即[0,T1]區(qū)間經(jīng)處理后其對(duì)應(yīng)區(qū)間為[0,T2]，[T1+1,255]經(jīng)處理后的區(qū)間為[T2+1,255] 。分別對(duì)區(qū)間[0,T1]和[T1+1,255]進(jìn)行直方圖均衡化處理，其均衡化的灰度變化公式為：

灰度區(qū)間[0,T1]和[T1+1,255]經(jīng)局域直方圖均衡化處理后，生成一張灰度級(jí)變換的查找表，當(dāng)下一幀圖像到來(lái)時(shí)，其有效像素點(diǎn)的R、G、B灰度值根據(jù)查找表進(jìn)行灰度值的變化，則輸出即為經(jīng)過(guò)清晰化處理后的圖像。

2 基于DSP的圖像增強(qiáng)算法的實(shí)現(xiàn)

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)視覺(jué)的實(shí)時(shí)處理成為可能。根據(jù)前述改進(jìn)的自適應(yīng)直方圖均衡化增強(qiáng)算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)DSP圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，并完成實(shí)時(shí)視頻圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

2.1 系統(tǒng)組成

本DSP圖像增強(qiáng)系統(tǒng)[6]由攝像頭、DM642嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板、XDS510 USB2.0仿真器、顯示器和PC機(jī)組成。其工作流程是由攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)DM642開(kāi)發(fā)板上的解碼芯片解碼后，送入DM642進(jìn)行處理，最后由顯示器顯示，PC機(jī)使用TI CCS3.1開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)程序通過(guò)仿真器燒寫(xiě)入開(kāi)發(fā)板中。

2.2 DSP軟件開(kāi)發(fā)

對(duì)于DM642的軟件開(kāi)發(fā)，采用TI公司提供的專(zhuān)用集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)，CCS提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤、分析程序的工具，利用它進(jìn)行圖像處理算法的編程和測(cè)試非常方便，它能加速整個(gè)開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，提高工作效率。

在CCS中進(jìn)行算法的編寫(xiě)與編寫(xiě)C語(yǔ)言程序比較類(lèi)似，一個(gè)程序中有且只能有一個(gè)主函數(shù)，且程序執(zhí)行從主函數(shù)開(kāi)始，不同的是一個(gè)完整的DSP程序除了主函數(shù)外還需.cmd文件、.asm文件、.lib文件。.cmd文件為鏈接器命令文件，它主要用來(lái)對(duì)二級(jí)緩存、FLASH和SDRAM的存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配；.asm文件主要包括DSP的矢量跳轉(zhuǎn)表和中斷向量表文件；.lib文件用于提供標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的庫(kù)文件以及支持編譯器所提供的所有功能等。在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境中，對(duì)于一個(gè)圖像處理工程，其程序的運(yùn)行流程可如圖1所示。

圖1 程序運(yùn)行流程圖Fig. 1 Program flow chart

在調(diào)試過(guò)程中，使用仿真器XDS510 USB2.0與DSP的JTAG口連接進(jìn)行在線仿真。經(jīng)在線調(diào)試好之后的程序，通過(guò)JTAG口將其可執(zhí)行文件燒寫(xiě)到DSP的外部存儲(chǔ)器FLASH中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，DSP自動(dòng)從FLASH中讀取執(zhí)行文件。從FLASH中引導(dǎo)應(yīng)用程序的步驟如下：

①系統(tǒng)上電后DSP自動(dòng)復(fù)位，DM642從FLASH中拷貝固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊（其中包括用戶(hù)自身的引導(dǎo)代碼）到內(nèi)部RAM中，用以初始化DSP的部分存儲(chǔ)器；

②執(zhí)行用戶(hù)的引導(dǎo)代碼和其它數(shù)據(jù)段，以及復(fù)制程序初始化所必需的段；

③使用包含.cinit段中的數(shù)據(jù)初始化.bss段中C語(yǔ)言變量；

④程序從main()函數(shù)處開(kāi)始執(zhí)行。

2.3 改進(jìn)的圖像增強(qiáng)算法在DSP平臺(tái)的驗(yàn)證

基于本文提出的改進(jìn)的自適應(yīng)直方圖均衡化增強(qiáng)算法，將其移植到搭建的DSP硬件平臺(tái)上驗(yàn)證其功能。首先在CCS中建立工程img_enhance.pjt，在工程下建立3個(gè)文件夾Include、Source、Libraries。Include文件夾下主要加載的是.h文件，這些文件規(guī)定了對(duì)DM642的外部設(shè)備編程所需遵循的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包括外設(shè)(EMIF、VP port、EMAC、IIC、GPIO等)配置的宏定義，對(duì)各種外設(shè)進(jìn)行操作所用的接口函數(shù)等；Libraries中所包含的文件為C語(yǔ)言運(yùn)行支持庫(kù)以及DM642驅(qū)動(dòng)庫(kù)；Source文件夾下所包含的文件有：執(zhí)行程序.c文件，.asm文件，以及.cmd文件。整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 工程結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Project structure diagram

在主函數(shù)中所調(diào)用的.c文件共有8個(gè)，cpld.c文件中的子函數(shù)主要是用來(lái)讀取人機(jī)交互界面8個(gè)按鍵的值以及控制外部的8個(gè)LED燈的亮滅；gpio.c文件主要用來(lái)配置DSP的16個(gè)通用IO口；iic.c文件中包含3個(gè)子函數(shù)，分別用于IIC總線配、IIC總線寫(xiě)數(shù)據(jù)、IIC總線讀取數(shù)據(jù)；misc.c文件中包含解碼器SAA7113和編碼器SAA7121所支持的各種視頻制式的初始化配置參數(shù)，以及通過(guò)IIC對(duì)編、解碼芯片進(jìn)行初始化的子函數(shù)；dm642.c文件中函數(shù)DM642_init()主要用來(lái)對(duì)DM642的板上API接口進(jìn)行初始化；vportcap.c文件中，bt656_8bit_ncfc( int portNumber)子函數(shù)用來(lái)申請(qǐng)打開(kāi)一個(gè)VP口，對(duì)VP口的各寄存器進(jìn)行配置，并為該VP口建立EDMA通道，VPCapChaAIsr(void) 子函數(shù)是采集中斷函數(shù)，setupVPCapChaAEDMA(int portNumber)子函數(shù)為采集視頻口建立EDMA通道，configVPCapEDMAChannel()子函數(shù)用于EDMA通道的配置；vportdis.c文件中所包含的子函數(shù)與vportcap.c文件中的類(lèi)似，只是它的視頻口是用作視頻輸出的；fogmove.c文件是本工程中的圖像處理核心算法，它的子函數(shù)是視頻去霧算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

編譯無(wú)誤后，通過(guò)XDS510下載線進(jìn)行在線調(diào)試，即軟硬件聯(lián)調(diào)。經(jīng)DSP硬件試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證，其處理效果如圖3所示。從圖中可以看出，改進(jìn)算法對(duì)原圖像有一定的清晰化效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖3 圖像增強(qiáng)效果圖Fig. 3 Effect of map image enhancement

文中在傳統(tǒng)的直方圖均衡化的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的自適應(yīng)直方圖均衡化圖像增強(qiáng)算法，并搭建了DSP硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將算法移植到DSP平臺(tái)上驗(yàn)證其增強(qiáng)效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該算法對(duì)視頻圖像的增強(qiáng)效果較為顯著。

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Algorithm of improved image enhancement and implementation of DSP

SU Chun-li, WANG Yan-jun
（Information Engineering Institute,Xi’an Eurasia University,Xi’an 710065, China）

This paperstudy the image enhancement method and its realization. Firstly, it describes the present problems of traditionalhistogram equalization method, then proposed the image enhancement algorithm of improved adaptive histogram equalization. Useing free grayscale dynamically allocated of the image enhancement algorithm, and the algorithm was transplanted into the DSP hardware platform for verification, experiments show that, this algorithm improves the visual effects of the image, the image is more clear, and the algorithm is simple, easy for hardware implementation, in image processing applications very effective.

image enhancement; histogram equalization; DSP; CCS

TN37

A

1674-6236(2014)11-0188-03

2014–02–28 稿件編號(hào)：201402214

陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2012JM8027)；陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(12JK1060)

蘇春莉(1977—)，女，陜西蒲城人，碩士，講師。研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)、數(shù)字圖像處理。