一種基于FPGA的彩色圖像增強系統的設計

　　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量下降，為了改善顯示器的視覺效果，常常需要進行圖像增強處理。圖像增強處理有很強的針對性，沒有統一的評價標準，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。

　　這里設計一個基于FPGA的實時視頻圖像處理系統，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，FPGA在性能和靈活性方面具有絕對優勢，應用FPGA設計視頻通信系統更普遍。

　　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，適合于軟件系統實現；而硬件系統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間的同時，壓縮不感興趣的灰度區間。最簡單有效的方法是線性變換，滿足以下關系：

　　f(x，y)和g(x，y)分別表示輸入圖像和輸出圖像的灰度值。經過變換，線性拉伸了在a～b內的灰度值，同時對[0，a]和[b，255]灰度區間進行抑制。從顯示設備的角度來說，一般民用級別的顯示器都不具備完美表現256灰階的能力，因此抑制過暗[0，a]和過亮[b，255]的灰度區間而增強中間區域的動態范圍，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，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換很易用硬件實現，但是它們都不能很好適應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、色飽和度和亮度這3個參量來描述該物體。色調描述純色的屬性，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。基于這3個參量建立的HSI彩色模型是開發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的點具有相同的亮度值。