CN106846234B - 一种基于fpga的图像视频增强方法、系统及设备 - Google Patents

一种基于fpga的图像视频增强方法、系统及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的图像视频增强方法、系统及设备，所述方法包括：获得待处理图像的灰度数据；选择对应所述灰度数据的图像增强方法；获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；处理所述映射灰度数据以输出图像。通过上述方式，本发明能够减少图像增强处理时的数据运算量。

Description

一种基于FPGA的图像视频增强方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及图像视频处理技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的图像视频增强方法、系统及设备。
背景技术
随着科技的发展，高品质实时视频显示技术的需求日益扩大。传统的图像增强是利用CPU(中央处理器)等基于冯.洛伊曼结构或DSP(哈佛结构)的穿行数据处理系统。虽然该系统的图像处理技术已经取得了良好的处理效果，但是由于图像数据本身具有数据量庞大的特点，再加之图像增强算法复杂的数据运算过程，使得图像增强面临着巨大的数据运算负担。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于FPGA的图像视频增强方法、系统、设备，能够减少图像增强处理时的数据运算量。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于FPGA的图像视频增强方法，包括：获得待处理图像的灰度数据；选择对应所述灰度数据的图像增强方法；获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；处理所述映射灰度数据以输出图像。
其中，所述图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡，所述选择对应所述灰度数据的图像增强方法包括：判断所述灰度数据与第一阈值范围的大小，若所述灰度数据在所述第一阈值范围内，则选择所述灰度拉伸处理方法；若所述灰度数据在所述第一阈值范围外，则选择所述直方图均衡处理方法。
其中，所述图像增强方法包括图像复原，所述选择对应所述灰度数据的图像增强方法包括：判断所述灰度数据的噪声方差与第二阈值范围的大小，若所述噪声方差在所述第二阈值范围外，则选择所述图像复原处理方法。
其中，所述获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表包括：选择所述图像增强方法对应的处理函数，根据所述处理函数获得对应的灰度映射数据表，并将所述灰度映射数据表存储以供调用。
其中，所述获得待处理图像的灰度数据包括：提取所述待处理图像的RGB图像数据，将所述RGB图像数据转化为YUV空间数据；提取所述YUV空间数据中的灰度数据；所述处理所述映射灰度数据以输出图像包括：将所述映射灰度数据转化为RGB图像数据后输出。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于FPGA的图像视频增强系统，包括：第一获取模块，用于获取待处理图像的灰度数据；选择模块，用于选择对应所述灰度数据的图像增强方法；第二获取模块，用于获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；处理模块，用于利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；输出模块，用于处理所述映射灰度数据以输出图像。
其中，所述图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡，所述选择模块判断所述灰度数据与第一阈值范围的大小，若所述灰度数据在所述第一阈值范围内，则选择所述灰度拉伸处理方法；若所述灰度数据在所述第一阈值范围外，则选择所述直方图均衡处理方法。
其中，所述图像增强方法包括图像复原，所述选择模块判断所述灰度数据的噪声方差与第二阈值范围的大小，若所述噪声方差在所述第二阈值范围外，则选择所述图像复原处理方法。
其中，第一获取模块包括第一转换单元和第一获取单元，所述第一转换单元用于将所述待处理图像的RGB图像数据转换为YUV空间数据，所述第一获取单元提取所述YUV空间数据中的灰度数据；输出模块包括第二转换单元和输出单元，所述第二转换单元用于将所述映射灰度数据转化为RGB图像数据，所述输出单元用于输出所述RGB图像数据。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于FPGA的图像视频增强设备，包括：接收器，用于接收待处理图像；存储器，用于存储图像增强方法对应的灰度映射数据表；处理器，用于获得待处理图像的灰度数据；选择对应所述灰度数据的图像增强方法；获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；处理所述映射灰度数据以输出图像。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明所提供的基于FPGA的图像视频增强方法，通过预先获得图像增强方法对应的灰度映射数据表，然后利用该灰度映射数据表得到对应待处理图像的灰度数据的映射灰度数据。本发明所提供的FPGA图像增强方法处理图像时利用预先存储的灰度映射数据表，可减少复杂的图像增强方法计算，系统的运算数据量大大降低，处理效率大大提升。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的图像视频增强方法一实施方式的流程示意图；
图2是运用图1中图像增强方法处理图像的前后对比图；
图3是本发明基于FPGA的图像视频增强系统一实施方式的结构示意图；
图4是本发明基于FPGA的图像视频增强设备一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，本发明所提供的一种基于FPGA的图像视频增强方法、系统及设备中FPGA(现场可编程门阵列)是本发明的基础，FPGA的出现及时解决了传统图像增强处理系统所面临的难题，并行计算能力弥补了当前主流数据处理芯片的短板。
请参阅图1，图1为本发明基于FPGA的图像视频增强方法一实施方式的流程示意图，包括：
S101：获得待处理图像的灰度数据；
具体地，RGB是目前工业界的颜色标准，是通过R、G、B三种基色相互叠加而产生其他各种各样的颜色；YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于PAL)，是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到灰度数据Y和两个色差数据B－Y(即U)、R－Y(即V)。因此，本实施例中，获得待处理图像的灰度数据包括：提取待处理图像的RGB图像数据，将RGB图像数据转化为YUV空间数据，提取YUV空间数据中的灰度数据。在其他实施例中，也可通过其他方法获得待处理图像的灰度数据，本发明对此不作限定。
S102：选择对应灰度数据的图像增强方法；
具体地，图像增强的目的是为了提高图像的质量，去除噪声，提高图像的清晰度等，尤其是当图像处于低照度的情况下。
目前，常用的图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡，S102步骤具体包括：判断灰度数据与第一阈值范围的大小，若灰度数据在第一阈值范围内，则选择灰度拉伸处理方法；若灰度数据在第一阈值范围外，则选择直方图均衡处理方法，如当灰度数据为0-10范围内时，选择灰度拉伸处理方法；当灰度数据为10-200范围内时，选择直方图均衡处理方法；在其他实施例中，第一阈值范围的取值也可为其他。
目前，常用的图像增强方法还包括图像复原，该方法主要是为了去除图像的噪声，步骤S102具体为：判断灰度数据的噪声方差与第二阈值范围的大小，若噪声方差在第二阈值范围外，则选择图像复原处理方法，如第二阈值范围选择0-25；在其他实施例中，第二阈值范围的取值也可为其他。
需要说明的是，在其他实施例中，还可为其他任意图像增强方法，如二值化等，本发明对此不作限定。另外，在其他实施例中，也可根据实际情况同时采取多种图像增强方法，本发明对此不作限定，例如，首先判断待处理图像的灰度数据是否在第一阈值范围内，如是，则采用灰度拉伸方法处理图像；接着根据处理后的图像的灰度数据获得处理后图像的噪声方差，进而判断噪声方差是否在第二阈值范围内，若不是，则采用图像复原的方法处理图像。
S103：获得图像增强方法对应的灰度映射数据表；
具体地，由于FPGA不能支持小数运算，而图像增强方法，如灰度拉伸等又涉及到小数运算，因此要在FPGA中实现灰度拉伸，需要涉及到其他浮点数的处理运算，这会使得系统结构增加、复杂度增大。因此本发明所采取的方式为选择图像增强方法对应的处理函数，根据处理函数获得对应的灰度映射数据表，并将灰度映射数据表存储以供调用。
如前所述，在一个应用场景中，FPGA图像增强系统处理图像时只涉及灰度映射数据表调用处理，不涉及复杂的图像增强方法计算，系统的处理效率大大提升。详细而言，首先选取图像增强方法对应的函数，然后通过VC++或者Matlab编程计算得出图像增强前后的灰度值的灰度映射数据表，将得到的灰度映射数据表存储。在本实施例中，灰度拉伸可以选择三段式灰度拉伸函数；直方图均衡可选择g＝EQ(f)函数，该映射函数EQ(f)满足以下两个条件(其中L为图像的灰度级数):在0≤f≤L-1范围内是一个单值单增函数；对于0≤f≤L-1有0≤g≤L-1；图像复原可选择的噪声函数有：高斯噪声函数、瑞利噪声函数、伽马噪声函数、指数噪声函数等。在其他实施例中，图像增强方法对应的函数可根据实际情况进行选择，本发明对此不作限定。
S104：利用灰度映射数据表得到对应待处理图像的灰度数据的映射灰度数据；
具体地，此时只需要从存储灰度映射数据表的区域调用灰度映射数据表，即可得到对应待处理图像的灰度数据的映射数据，而不需要进行其他复杂的算法计算。
S105：处理映射灰度数据以输出图像；
具体地，将映射灰度数据转化为RGB图像数据后输出。
在其他实施例中，对于视频的处理，可以根据上述方法，处理视频的每一帧RGB图像，然后再将处理后的每一帧RGB图像输出为VGA等视频格式。
在一个应用场景中，选用Altera公司的低成本FPGA Cyclone系列器件，应用该器件进行图像增强处理开发有如下优点：低成本高性能，适应图像增强处理要求较高的需要；丰富的内嵌存储器资源，适应大量图像数据存取的需要；丰富的硬件乘法器，适应图像增强算法的需要。在以下实施例中FPGA选用开发板自带的ED4CE115F29C芯片。在其他实施例中，可以根据实际需求选择合适的型号，本发明对此不作限定。请结合图2，图2为运用图1中方法处理图像的前后对比图。图2(a)为待处理图像，经计算获得该图像的灰度数据为9，此时该灰度数据处于第一阈值范围0-10内，选择灰度拉伸图像增强方法，进而得到处理后的图像(b)，图像(b)灰度呈现向黑白两级靠近的趋势，暗的部分更加黑暗，亮的部分更加明亮；图2(c)为又一待处理图像，计算获得该图像的灰度数据为158，此时该灰度数据处于第一阈值范围0-10之外，选择直方图均衡图像增强方法，进而获得处理后图像(d)，图像(d)的灰度分布变得均匀，较暗的图像区域变得明亮，图像的可辨别性增加；图2(e)为再一待处理图像，该图像噪声较大，经计算该图像的噪声方差超过第二阈值范围0-25，因此采用图像复原技术，在本实施例中采用维纳滤波对图(e)进行处理进而得到图(f)，图像的噪声水平明显降低。
当然，也可以选用其他公司的FPGA器件，只要具备相应功能即可。
请参阅图3，图3为本发明基于FPGA的图像视频增强系统一实施方式的结构示意图，包括：
第一获取模块30，用于获取待处理图像的灰度数据；具体地，在一个应用场景中，第一获取模块30包括第一转换单元301和第一获取单元302，第一转换单元301用于将待处理图像的RGB图像数据转换为YUV空间数据，第一获取单元302提取YUV空间数据中的灰度数据；
选择模块31，用于选择对应灰度数据的图像增强方法；具体地，在一个应用场景中，图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡，选择模块判断灰度数据与第一阈值范围的大小，若灰度数据在第一阈值范围内，则选择灰度拉伸处理方法；若灰度数据在第一阈值范围外，则选择直方图均衡处理方法；在另一个应用场景中，图像增强方法包括图像复原，选择模块判断灰度数据的噪声方差与第二阈值范围的大小，若噪声方差在第二阈值范围外，则选择图像复原处理方法；在其他实施例中，也可为其他图像增强方法，本发明对此不作限定；
第二获取模块32，用于获得图像增强方法对应的灰度映射数据表，获得灰度映射表的方法过程与上述实施例中的相同，在此不再赘述；
处理模块33，用于利用灰度映射数据表得到对应待处理图像的灰度数据的映射灰度数据；
输出模块34，用于处理映射灰度数据以输出图像；具体地，在一个应用场景中，输出模块34包括第二转换单元342和输出单元341，第二转换单元342用于将映射灰度数据转化为RGB图像数据，输出单元341用于输出RGB图像数据；在另一个应用场景中，输出单元341还用于输出RGB图像数据后，再转化为VGA等视频格式后输出。
请参阅图4，图4为本发明基于FPGA的图像视频增强设备一实施方式的结构示意图，包括：
接收器40，用于接收待处理图像，当接收的为视频时，需要将视频分解为每一帧图像，然后对每一帧图像进行增强处理；
存储器41，用于存储图像增强方法对应的灰度映射数据表，可以通过ROM或者RAM等分别存储或者统一存储每种图像增强方法对应的灰度映射数据表；
处理器42，用于获得待处理图像的灰度数据；选择对应灰度数据的图像增强方法；获得图像增强方法对应的灰度映射数据表；利用灰度映射数据表得到对应待处理图像的灰度数据的映射灰度数据；处理映射灰度数据以输出图像。
综上所述，区别于现有技术的情况，本发明所提供的基于FPGA的图像视频增强方法预先获得图像增强方法对应的灰度映射数据表，然后利用该灰度映射数据表得到对应待处理图像的灰度数据的映射灰度数据。本发明所提供的FPGA图像增强系统处理图像时只涉及预先存储的灰度映射数据表的调用处理，不涉及复杂的图像增强方法计算，系统的运算数据量大大降低，处理效率大大提升。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的图像视频增强方法，其特征在于，包括：
获得待处理图像的灰度数据；
选择对应所述灰度数据的图像增强方法；
获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；
利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；
处理所述映射灰度数据以输出图像；
其中，所述图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡和图像复原，所述选择对应所述灰度数据的图像增强方法包括：
判断所述灰度数据与第一阈值范围的大小，若所述灰度数据在所述第一阈值范围内，则选择所述灰度拉伸处理方法；若所述灰度数据在所述第一阈值范围外，则选择所述直方图均衡处理方法；其中，所述处理所述映射灰度数据以输出图像的步骤之后还包括：
判断已采用所述灰度拉伸或所述直方图均衡处理后的图像的噪声方差，是否处于第二阈值范围内，若在所述第二阈值范围外，则对所述处理后的图像进一步采用图像复原处理方法进行处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表包括：
选择所述图像增强方法对应的处理函数，根据所述处理函数获得对应的灰度映射数据表，并将所述灰度映射数据表存储以供调用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述获得待处理图像的灰度数据包括：提取所述待处理图像的RGB图像数据，将所述RGB图像数据转化为YUV空间数据；提取所述YUV空间数据中的灰度数据；
所述处理所述映射灰度数据以输出图像包括：将所述映射灰度数据转化为RGB图像数据后输出。
4.一种基于FPGA的图像视频增强系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取待处理图像的灰度数据；
选择模块，用于选择对应所述灰度数据的图像增强方法；
第二获取模块，用于获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；
处理模块，用于利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；
输出模块，用于处理所述映射灰度数据以输出图像；
其中，所述图像增强方法包括灰度拉伸、直方图均衡和图像复原，所述选择模块进一步用于判断所述灰度数据与第一阈值范围的大小，若所述灰度数据在所述第一阈值范围内，则选择所述灰度拉伸处理方法；若所述灰度数据在所述第一阈值范围外，则选择所述直方图均衡处理方法；
所述选择模块进一步用于判断已采用所述灰度拉伸或所述直方图均衡处理后的图像的噪声方差，是否处于第二阈值范围内，若在所述第二阈值范围外，则所述处理模块对所述处理后的图像进一步采用图像复原处理方法进行处理。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：
第一获取模块包括第一转换单元和第一获取单元，所述第一转换单元用于将所述待处理图像的RGB图像数据转换为YUV空间数据，所述第一获取单元提取所述YUV空间数据中的灰度数据；
输出模块包括第二转换单元和输出单元，所述第二转换单元用于将所述映射灰度数据转化为RGB图像数据，所述输出单元用于输出所述RGB图像数据。
6.一种基于FPGA的图像视频增强设备，其特征在于，包括：
接收器，用于接收待处理图像；
处理器，用于获得待处理图像的灰度数据；选择对应所述灰度数据的图像增强方法；判断所述灰度数据与第一阈值范围的大小，若所述灰度数据在所述第一阈值范围内，则选择灰度拉伸处理方法；若所述灰度数据在所述第一阈值范围外，则选择直方图均衡处理方法；获得所述图像增强方法对应的灰度映射数据表；利用所述灰度映射数据表得到对应所述待处理图像的所述灰度数据的映射灰度数据；处理所述映射灰度数据以输出图像；
所述处理器处理所述映射灰度数据以输出图像后，进一步判断已采用所述灰度拉伸或所述直方图均衡处理后的图像的噪声方差，是否处于第二阈值范围内，若在所述第二阈值范围外，则对所述处理后的图像进一步采用图像复原处理方法进行处理；
存储器，用于存储所述图像增强方法对应的灰度映射数据表。
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