實(shí)時(shí)低照度彩色圖像增強(qiáng)方法研究

焦慧華

(瓊臺(tái)師范學(xué)院，海南 ?？?571127)

一、引言

視頻圖像增強(qiáng)處理技術(shù)一直是圖像處理領(lǐng)域一類(lèi)非常重要的基本處理技術(shù)。圖像增強(qiáng)處理技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到航空航天、軍事偵察、醫(yī)學(xué)診斷、衛(wèi)星圖片的處理等領(lǐng)域。如惡劣天氣下飛機(jī)的視景增強(qiáng)系統(tǒng)，需要采用圖像增強(qiáng)處理方法克服因光線不足、沙塵、煙霧等原因帶來(lái)的圖像模糊，從而為飛行器提供可視化導(dǎo)航。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在光線不足的環(huán)境下容易導(dǎo)致視頻模糊，圖像不清晰，通過(guò)圖像增強(qiáng)處理可以使視頻圖像質(zhì)量得到改善，產(chǎn)生更好的可視化效果。

直方圖均衡化以概率論為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)圖像中像素點(diǎn)的灰度值變換以達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的,其典型的算法有直方圖均衡算法(HE)、直方圖投影算法(HP)、平臺(tái)直方圖均衡法(PE)。直方圖均衡算法是一種非線性拉伸法,先求出原始圖像的直方圖,再用灰度級(jí)的累計(jì)概率分布作為變換系數(shù),乘以轉(zhuǎn)換后圖像的總的灰度級(jí)數(shù)得到圖像灰度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種算法主要是針對(duì)出現(xiàn)概率較大的目標(biāo)像素,將灰度分布集中的像素?cái)U(kuò)展到更寬的灰度級(jí)上,同時(shí)壓縮數(shù)量少的像素,增強(qiáng)圖像的對(duì)比度,從而達(dá)到增強(qiáng)圖像的效果。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的處理實(shí)時(shí)性不足問(wèn)題，本文目的在于提供一種實(shí)時(shí)低照度彩色圖像增強(qiáng)方法，對(duì)低照度的彩色視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理，擴(kuò)展圖像動(dòng)態(tài)范圍，提高對(duì)比度，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高速高分辨率視頻監(jiān)控圖像的增強(qiáng)，提高視頻圖像的可視效果。

二、關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

（一）實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案

一種實(shí)時(shí)低照度彩色圖像增強(qiáng)方法，主要包括以下步驟：

1.將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間，變換關(guān)系如下式所示：

Y＝0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

Cb＝-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128

Cr＝0.439*R-0.368*G-0.071*B+128

2.對(duì)YCbCr色彩空間的Y分量進(jìn)行直方圖均衡處理；

3.分別對(duì)Cb、Cr彩色分量進(jìn)行閾值判別，對(duì)于不在設(shè)定閾值范圍的分量進(jìn)行非線性變換；

4.對(duì)上述經(jīng)過(guò)處理后的YCbCr色彩分量進(jìn)行反變換至RGB色彩空間，最后獲得到經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理的彩色圖像。

依據(jù)上述特征，所述直方圖均衡處理的方法為：（1）直方圖統(tǒng)計(jì)：對(duì)每個(gè)像素值出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；（2）直方圖累加：對(duì)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行累加求和；（3）直方圖映射：對(duì)直方圖累加的[]結(jié)果進(jìn)行位移和除法，得到直方圖映射后的像素值。同時(shí)，Cb、Cr閾值由預(yù)先對(duì)正常圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定。此外，所述非線性變換的變換系數(shù)采用查找表方式預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

（二）實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

我們提出的低照度彩色圖像實(shí)時(shí)增強(qiáng)方法，其處理流程如圖1所示。圖中所有步驟都在FPGA中實(shí)現(xiàn)，其中包括RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊、直方圖均衡模塊、非線性變換模塊和YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊。所述RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊用于將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間。所述直方圖均衡模塊用于對(duì)YCbCr色彩空間的Y分量進(jìn)行直方圖均衡處理。所述非線性變換模塊分別對(duì)Cb、Cr彩色分量進(jìn)行閾值判別，對(duì)于不在設(shè)定閾值范圍的分量進(jìn)行非線性變換。所述YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊用于將經(jīng)過(guò)處理后的YCbCr色彩分量進(jìn)行反變換至RGB色彩空間。

圖1 低照度彩色圖像實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理流程

圖2 基于FPGA的直方圖均衡算法框圖

由于直方圖均衡算法時(shí)間復(fù)雜度相對(duì)較高，為了滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)視頻處理（每秒60幀）的要求，本文在對(duì)傳統(tǒng)的直方圖均衡方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于FPGA的快速直方圖均衡方法，其處理框圖如圖2所示。由處理框圖可知，直方圖均衡處理包括3個(gè)子模塊：(1)直方圖統(tǒng)計(jì)模塊 (2)直方圖累加模塊(3)直方圖映射模塊。下面分別介紹3個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)實(shí)施。

直方圖統(tǒng)計(jì)要求對(duì)每個(gè)像素值出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)256×18 bit的雙端口RAM作為直方圖寄存單元。將輸入的像素值作為雙端口RAM的寫(xiě)入地址，每次對(duì)相同的像素出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行加1，所以要在每次寫(xiě)RAM之前首先將RAM中的暫存的數(shù)據(jù)讀出，并進(jìn)行加1處理，然后再寫(xiě)入到RAM中。其實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中另外一個(gè)雙端口RAM2是用來(lái)保存直方圖最后統(tǒng)計(jì)結(jié)果的寄存器。

圖3 直方圖均衡處理邏輯框圖

當(dāng)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)束后，需要對(duì)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行累加求和。并將累計(jì)結(jié)果作為均衡化處理的依據(jù)，所以需要將每次累加的和保存在另外一個(gè)雙端口RAM中。累加的過(guò)程是從上面直方圖統(tǒng)計(jì)模塊的雙端口RAM2中，依次讀出每個(gè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行累加，累加結(jié)果同時(shí)存入雙端口RAM3中。累加操作是在場(chǎng)消隱期進(jìn)行，所以每次累加結(jié)束后要用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行復(fù)位。累加操作是由FPGA中的累加器實(shí)現(xiàn)。模塊的邏輯框圖如圖4所示。

圖4 直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行累加處理邏輯框圖

由直方圖均衡算法可知，在進(jìn)行直方圖映射之前需要對(duì)累加直方圖的結(jié)果進(jìn)行乘法和除法運(yùn)算。本方案中視頻圖像源格式為1024×768分辨率，每秒60幀頻，像素級(jí)數(shù)位256級(jí)。要對(duì)直方圖累加結(jié)果乘個(gè)256,再除1024×768。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以將累加結(jié)果向低位移10位再除以3,得到的結(jié)果便是直方圖映射后的像素值，根據(jù)上述分析，直方圖映射模塊的實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 直方圖映射模塊Figure.5 Histogram mapping module

如上所述，將YCbCr圖像的Y分量進(jìn)行直方圖均衡時(shí)，同時(shí)將Cr、Cb分量進(jìn)行閾值判別和非線性變換，非線性變換系數(shù)可以采用查找表方式預(yù)先存儲(chǔ)在RAM中，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變換。將均衡后的Y分量和Cb與Cr分量進(jìn)行RGB變換后，最終得到增強(qiáng)后的彩色圖像。

三、實(shí)現(xiàn)案列

該方案的具體實(shí)施方案是采用Altera的Arrial-II系列FPGA實(shí)現(xiàn)，這些模塊都采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)ModelSim進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，并最終下載到FPGA中進(jìn)行在線驗(yàn)證。

本方案中具體是采用分辨率為1024×768的低照度彩色視頻圖像作為視頻源，其幀頻達(dá)到每秒60幀頻，原始圖像如圖6(a)所示。經(jīng)過(guò)本文的方法進(jìn)行增強(qiáng)處理后的效果如圖6(b)所示。該方法適合于低照度彩色視頻圖像的實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理，并且能夠滿(mǎn)足時(shí)延小，高幀頻的要求。

圖6 實(shí)現(xiàn)案列

四、結(jié)論

我們提出的圖像增強(qiáng)方法對(duì)于低照度的彩色圖像增強(qiáng)效果明顯，處理實(shí)時(shí)性高，并且圖像從輸入到輸出處理延時(shí)只有微秒級(jí)別，非常適合高速實(shí)時(shí)處理場(chǎng)合的應(yīng)用。該方案能夠?qū)Φ驼斩鹊牟噬曨l圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理，擴(kuò)展圖像動(dòng)態(tài)范圍，提高對(duì)比度，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高速高分辨率視頻監(jiān)控圖像的增強(qiáng)，提高視頻圖像的可視效果。