基于DSP的夜間圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康國強(qiáng) 馬欣慰 李洋 許杰 王松明

摘 要：針對夜間視頻圖像對比度低、噪聲大等不利于監(jiān)控的特點(diǎn)，提出了以DM648為核心的夜間圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用改進(jìn)后的灰度拉伸算法對圖像的RGB三通道分別作增強(qiáng)處理，再合成輸出，可以獲得彩色夜間圖像。實(shí)驗(yàn)表明該方法對夜間視頻圖像的處理具有較好的增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：DM648 夜間圖像 灰度拉伸 圖像增強(qiáng)

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0007-02

在夜間能見度低的環(huán)境下，經(jīng)過攝像頭采集到的視頻圖像全局灰度值較低，細(xì)節(jié)對比度差，這給夜間條件下的安全監(jiān)控、家庭防盜帶來很大的困難。在這種情況下，夜間視頻圖像增強(qiáng)技術(shù)就顯得尤為重要。TMS320DM648是TI公司推出的專門針對視頻安全與監(jiān)控領(lǐng)域的DSP，以它為核心的開發(fā)平臺來處理夜間視頻圖像具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)槠渚哂休^高的性能以及豐富的片上外設(shè)，它比DM642的系統(tǒng)性能提高了一倍。該系統(tǒng)可以更好的完成視頻圖像的實(shí)時采集、傳輸以及圖像增強(qiáng)算法的實(shí)現(xiàn)。

夜間圖像增強(qiáng)技術(shù)主要分為兩大類：空域增強(qiáng)方法和頻域增強(qiáng)方法[1，5，6]?？沼蛟鰪?qiáng)法通常是針對像素點(diǎn)的操作。大多基于空域增強(qiáng)的算法屬于直接增強(qiáng)圖像本身的方法，包括灰度變換、直方圖變換、濾波器處理等?；陬l域增強(qiáng)的算法基礎(chǔ)是卷積定理，它將圖像看作信號，然后利用傅里葉變換的手段將圖像變換到頻域后對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，它屬于間接增強(qiáng)的方法，由于存在域之間的變換與反變換，計(jì)算復(fù)雜，一般難以滿足實(shí)時性要求。本文的灰度拉伸算法屬于空間域圖像增強(qiáng)方法，運(yùn)算過程簡單、實(shí)現(xiàn)方便，目前的圖像增強(qiáng)預(yù)處理部分大多選用這種算法。

1 算法原理及DSP實(shí)現(xiàn)

1.1 灰度拉伸原理

現(xiàn)有的圖像增強(qiáng)原理都可用式（1）來表示。設(shè)f（x，y）為輸入圖像，g（x，y）為輸出圖像，則對圖像的增強(qiáng)可表述為將（x，y）處的灰度f（x，y）映射為g（x，y），此映射可以表示為[1]：

g（x，y）=T[f（x，y）] （1）

灰度拉伸可以靈活的控制輸出灰度直方圖的分布，它可以有選擇的拉伸（斜率>1）某段灰度區(qū)間以改善輸出圖像?；叶壤焖惴ㄊ欠侄芜M(jìn)行線性變換的，這樣有利于對圖像的灰度進(jìn)行分塊增強(qiáng)處理，避免了圖像整體增強(qiáng)后出現(xiàn)的嚴(yán)重失真，它的灰度變換函數(shù)表達(dá)式如下：

（2）

式中x1（x1>0）和x2（x2<255）為兩個拐點(diǎn)，通過調(diào)整拐點(diǎn)的位置及分段直線的斜率，即控制參數(shù)x1、x2、y1、y2的取值，可實(shí)現(xiàn)對任意灰度區(qū)間的擴(kuò)展或壓縮。圖1表示將輸入的區(qū)間[x1，x2]擴(kuò)展到[y1，y2]后輸出。

該方法簡單且易實(shí)現(xiàn)，對夜間圖像有一定的增強(qiáng)效果，同時也存在一些不足，一是x1、x2需要人為設(shè)置，系統(tǒng)不具備靈活性；二是該方法雖使圖像的整個灰度級映射的變化率不同，但在具體某段灰度區(qū)域內(nèi)仍是相同的，而我們希望在各區(qū)域內(nèi)的對比度增強(qiáng)也不同。

1.2 自適應(yīng)線性灰度拉伸算法

線性拉伸的表達(dá)式如下：

（3）

式中，G（i，j）是拉伸后輸出圖像灰度值，F(xiàn)（i，j）為輸入圖像的第i行j列的像素灰度值，F(xiàn)min是輸入圖像的最小灰度值，F(xiàn)max是輸入圖像的最大灰度值，Zmax為輸出圖像的最大灰度值，由于拉伸后的圖像灰度值用8位二進(jìn)制數(shù)表示，故Zmax取值255。

首先對夜間圖像做灰度直方圖統(tǒng)計(jì)（如圖2所示），可知灰度值主要集中在直方圖靠左的區(qū)域，選取壓縮因子為2%，對直方圖灰度分布兩端分別搜索2%最大灰度值中的最小值作為X2，2%最小灰度值里的最大值作為X1（如圖2所示）。此算法將線性拉伸區(qū)間自適應(yīng)地分為[0，X1），[X1，X2]和（X2，255]三個部分。其中，[0，X1）和（X2，255]兩個灰度區(qū)間的像素灰度利用公式（2）分別被壓縮。為避免目標(biāo)正好位于兩個被壓縮的區(qū)間內(nèi)而被抑制的情況發(fā)生，可視情況適當(dāng)調(diào)整壓縮因子2%的大小。

1.3 算法的DSP實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)的算法屬于空域增強(qiáng)法，利用對灰度拉伸算法的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)夜間圖像的彩色增強(qiáng)：先將攝像頭輸出的YCrCb彩圖轉(zhuǎn)換成RGB三基色分量，轉(zhuǎn)換方式如下：

（3）

然后分別對RGB三個分量進(jìn)行增強(qiáng)處理，中間涉及色彩空間轉(zhuǎn)換、對比度拉伸以及后續(xù)的噪聲濾波處理，最后再合成輸出。這需要高速處理才可以達(dá)到實(shí)時性要求，才會具備實(shí)際的可應(yīng)用性。本文所選用的DSP芯片是DM648芯片，通用的主頻為720MHz，運(yùn)算能力很強(qiáng)，完全符合本設(shè)計(jì)的運(yùn)算要求。

2 DSP系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖像增強(qiáng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體包括DM648芯片、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、網(wǎng)絡(luò)、JTAG接口等。

DM68是一款高性能低成本的多媒體處理芯片，工作頻率最高可達(dá)900 MHz，通常使用的主頻為720 MHz，運(yùn)算能力為5760MIPS。它有專門的DDR2存儲器擴(kuò)展接口，對于圖像處理系統(tǒng)來說，很高的數(shù)據(jù)吞吐率使得存儲設(shè)備成為系統(tǒng)不可或缺的組成部分，存儲器可以用來保存整幀圖像。其外設(shè)包括：（1）5個可配置的16位視頻口，支持多種分辨率和視頻標(biāo)準(zhǔn)，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流無縫連接；（2）1個DDR2-533存儲接口；（3）1個帶SGMIII的千兆以太網(wǎng)MAC，在多處理器系統(tǒng)中，支持將芯片用作PCI橋；（4）1個高速DMA引擎，支持處理器管理各式各樣高帶寬存儲器和I/O口[2]。這些豐富的外設(shè)，可以用來控制外部設(shè)備和與外部的處理器通信，充分利用這些外設(shè)接口可以降低視頻應(yīng)用開發(fā)的成本與難度。

DSP處理流程：通過攝像頭進(jìn)行視頻采集，將一幀圖像信號存儲于緩存器中，利用DMA方式將信號傳送到片外存儲器，DSP芯片根據(jù)算法對圖像進(jìn)行處理，處理結(jié)果幀轉(zhuǎn)至緩沖存儲區(qū)編碼后由經(jīng)輸出設(shè)備實(shí)時顯示[3]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對一幅在夜間拍攝的低對比度圖像，分別用直方圖均衡算法，單尺度Retinex算法和改進(jìn)的灰度拉伸算法進(jìn)行處理，處理后的圖像及直方圖如圖4（a）～圖4（d）所示。

實(shí)驗(yàn)表明：

采用一般的直方圖均衡算法（圖b），圖像的亮度得到了增強(qiáng)，但是整個畫面噪聲嚴(yán)重；采用單尺度Retinex算法的圖像（圖c），突出了路面的一些細(xì)節(jié)，但人物細(xì)節(jié)模糊，不便辨認(rèn)；而采用本文的算法（圖d），在全局增強(qiáng)的基礎(chǔ)上保持了色度而凸顯了人物細(xì)節(jié)。

4 結(jié)語

夜間圖像增強(qiáng)在視頻實(shí)時增強(qiáng)處理中具有實(shí)際的應(yīng)用價值，快速有效的增強(qiáng)技術(shù)可以提供更多的夜間圖像信息。本設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的對比度拉伸算法及它的DSP實(shí)現(xiàn)，能夠在一片DM648芯片上實(shí)現(xiàn)多路夜間視頻圖像的實(shí)時增強(qiáng)，圖像質(zhì)量高、開發(fā)難度低、無需更換硬件、易于升級，是一個比較理想的夜間圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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