CN110889814B - 一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法及装置 - Google Patents

一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，将输入的每一帧图像数据进行数据分流，分别对每一路图像数据信号的灰度级像素个数进行直方图统计，对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果，根据上一帧图像的直方图累加结果均衡计算得到当前帧图像的直方图均衡结果，对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理，得到当前帧图像的增强后的直方图结果。本发明对输入的图像进行多路分割，更加适用于一般硬件环境下，使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致，利用上一帧图像的统计结果进行当前帧图像的直方图均衡，令视频的成像变化趋于平稳。

Description

一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机视觉和数字图像处理领域，尤其涉及一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法及装置。
背景技术
图像增强的主要目的是为了突出图像中需要的或者感兴趣的部分特征，使图像中不清晰的部分变清晰，减少无用的特征，扩大不同像素部分的区别度，加大图像某些部分的可识别度。图像增强算法应用于多个领域，如军事侦察、影视播放、医学研究、CT影像等等。
图像直方图是用以表示数字图像中亮度分布的直方图，标绘了图像中每个亮度值的像素数。直方图均衡是一种经典的图像增强方法，是灰度变换的一个重要应用，主要作用于提高图像的对比度，即，图像的动态范围。一幅对比度很低的图像的直方图范围很窄，而且灰度级变换很大，直方图均衡就是使图像经过一些特殊的变换使图像灰度级的概率分布趋近于均匀分布。
该算法使用Xilinx公司FPGA进行设计，其中Sysgen(sysgen generation)作为Matlab软件Simulink的一个插件，为其算法设计提供了大量已经存在的IP。该算法的Sysgen硬件设计需要利用Single Port RAM(单口RAM)存储数据并用来对像素值进行统计，因此，如图1所示，在直方图统计步骤中，要求当第n+1个像素数据来临之前，需要将第n个像素数据的灰度值相等的RAM地址中的已经存储的数据进行加1操作，并将其相加后的存储在该地址中。因此，该设计的时序需要保证Single Port RAM模块的运行频率高于像素数据的频率，若不高于像素数据的输出频率，会导致出现数据丢失，统计结果错误。一般来说，是控制计数器的运行频率，设置为像素数据输出频率的4倍，控制Single Port RAM的写入使能，完成在第n+1个像素数据来临之前，第n个像素数据对应地址数据已完成加1操作，且成功存储到RAM相应的地址中，当该计数器运行频率会导致RAM数据的快速输出，因此，在后端RAM数据输出需要利用降采样模块对输出数据进行降采样操作，使得输出数据与原始数据输入的频率保持一致。其降采样模块的采样频率需要设置为4。但是在大部分情况下，由于硬件设计的要求导致其软件程序并不能以高速率数据传输频率的4倍进行数据处理。
发明内容
本发明提供一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法及装置，对输入的图像进行多路分割，更加适用于一般硬件环境下，使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致，利用上一帧图像的统计结果进行当前帧图像的直方图均衡，令视频的成像变化趋于平稳。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，包含以下步骤：
步骤S1、数据分流：将输入的每一帧图像数据进行数据分流，生成多路图像数据信号；
步骤S2、直方图统计：分别对每一路图像数据信号的灰度级像素个数进行直方图统计；
步骤S3、直方图累加：对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果；
步骤S4、直方图均衡：将上一帧图像的直方图累加结果作为当前帧图像的直方图均衡结果。
在得到当前帧图像的直方图均衡结果后，对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理。
所述的归一化处理包含：
其中，为第k帧图像归一化处理后的灰度值，/>为第k-1帧图像的直方图累加结果。
本发明还提供一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置，包含：
数据分流装置，用于将输入的每一帧图像数据进行数据分流，生成多路图像数据信号；
直方图统计装置，分别对每一路图像数据信号的灰度级像素个数进行直方图统计；
直方图累加装置，对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果；
直方图均衡装置，将上一帧图像的直方图累加结果作为当前帧图像的直方图均衡结果。
所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置还包含：归一化处理装置，对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理。
所述的数据分流装置包含至少一个计数器。
所述的直方图统计装置包含多组统计模块，每组统计模块包含至少一个加法器和至少一个存储器。
所述的直方图累加装置包含至少一个加法累加器和至少一个存储器。
所述的归一化处理装置包含至少一个除法器和至少一个乘法器。
本发明具有以下有益效果：
1、在一般的直方图均衡实现中，其处理速率需要达到整个数据速率的4倍，对于一般的硬件条件是无法完成和实现的，因此本发明对输入的图像进行多路分割，更加适用于一般硬件环境下，使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致。
2、考虑到操作的实时性和图像序列之间的相关性，当前帧图像进行直方图均衡时所利用的直方图分布为上一帧图像的统计结果，这样既利用了算法的实时性，也避免了因光照等环境因素图像发生变化而导致成像状态出现问题，利用上一帧图像的统计结果可以让视频的成像变化趋于平稳。
附图说明
图1是背景技术中现有的图像直方图增强方法的硬件结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法的流程图。
图3是本发明的一个实施例中的数据分流使能信号的示意图。
图4是本发明的一个实施例中的数据分流的示意图。
图5是本发明的一个实施例中的直方图统计的示意图。
图6是本发明的一个实施例中的直方图累加的示意图。
图7是本发明的一个实施例中的直方图均衡的示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，提供一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，包含以下步骤：
步骤S1、数据分流：将输入的每一帧图像数据进行数据分流，生成4路图像数据信号；
步骤S2、直方图统计：分别对每一路图像数据信号的[0-255]灰度级像素个数进行直方图统计；因为是8bit数据，所以是[0-255]，10bit数据，或者14bit数据等等可以类似；
步骤S3、直方图累加：对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果；
步骤S4、直方图均衡：根据上一帧图像的直方图累加结果均衡计算得到当前帧图像的直方图均衡结果；
步骤S5、归一化处理：对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理，使得数据在合理范围内，得到当前帧图像的增强后的直方图结果。
在本发明的一个实施例中，应用基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法对图像进行处理，包含以下步骤：
步骤1、数据分流：计数器对输入的图像数据进行分流，使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致。
为使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致，则整个设计过程中，需要保持同一个处理速率，因此利用计数器产生一个数据分流使能信号a，如图3所示，所述的数据分流使能信号a中包含不断重复的0、1、2、3数据。
如图4所示，当数据分流使能信号a为0，则产生第一路信号signal1输出，当数据分流使能信号a为1，则产生第二路信号signal2输出，当数据分流使能信号a为2，则产生第三路信号signal3输出，当数据分流使能信号a为3，则产生第四路信号signal4输出。每一个信号是4个时钟周期，其中1个为高电平，3个为低电平，当高电平时数据有效，低电平时数据无效。通过该4路信号(signal1，signal2，signal3，signal4)对后续图像数据进行降频处理。
步骤2、直方图统计：对输出的4路图像数据分别统计灰度级[0-255]的像素个数，并对其进行相加。
在该步骤中，需要两个功能模块：存储器和加法器。
如图5所示，存储器(单口ram)用来存储灰度级[0-255]的像素个数，加法器用来对存储器中地址临时存储的数据进行加1操作，完成灰度级[0-255]下所有像素个数的统计，最后将统计结果存储在存储器中。在本实施例中，选取单端口RAM模块(Single Port RAM)作为存储器，选取加数恒为1的AddSub模块作为加法器来统计直方图。
在数据帧同步信号有效的情况下，利用4路不同的使能信号，使得在该使能信号为高电平情况下，将图像数据的灰度值作为Single Port RAM模块的地址，读取该地址的数据，并利用AddSub模块对其数据进行加1操作后，将其存储在对应的地址内，持续该循环操作，直到数据帧同步信号无效，完成该使能信号下数据的有效统计。同时完成4路不同使能信号的图像数据直方图统计，即需要利用4个Single Port RAM模块，4个AddSub模块，通过4路不同使能信号，使得图像数据间隔交替进入不同的Single Port RAM模块，对像素值进行统计。
需要考虑4个Single Port RAM模块的地址所存储数据的清除操作。当前一帧图像数据的灰度级[0-255]的像素个数统计并读取之后，在新的一帧图像数据来临之前，需要对Single Port RAM模块中存储的数据进行清零，以便不影响后续灰度级统计的结果。当图像帧同步信号为低电平时，利用计数器产生0-255的数据，对RAM数据进行读取，对RAM地址数据进行写0操作。
步骤3、直方图累加：对4路图像数据的直方图逐灰度级[0-255]的像素个数进行累加，得到整帧图像的直方图统计结果。
需要对统计的图像数据[0-255]灰度级直方图个数的逐级累加，即
其中，H(i)为灰度级为i的直方图统计结果，为灰度级为p的直方图累加结果。
因此在该步骤中，需要2个功能模块：加法累加器和存储器。
如图6所示，首先利用加法器对4路数据相加，获得整幅图像在度级[0-255]下所有像素个数的统计。如图7所示，该统计数据进行累加。加法累加器被用来对统计之后的直方图进行累加。存储器用来存储累加结果。在本实施例中，选取带反馈的AddSub模块作为加法累加器，将前一时刻的输出数据与输入数据进行累加，完成[0-255]灰度级直方图个数的逐级累加。基于直方图累加结果的存储和读取，利用双端口存储器，即选择Dual Port RAM模块对累加结果进行存储，利用计数器产生的[0-255]作为该Dual Port RAM模块的存储地址。其中Dual Port RAM模块的双端口设计使得该存储器既可以存储数据也可以读取数据，便于后续处理时，存储数据的读取操作。
步骤4、直方图均衡：当前帧图像数据对上一帧图像数据的直方图统计结果进行读取，并计算当前帧的图像像素直方图处理结果。
在MATLAB仿真设计中，当前帧的直方图均衡结果是利用当前帧图像的直方图分布结果得到的，即：
其中，DB为直方图均衡后的灰度值，DA为直方图均衡前的灰度值，Dmax为图像最大灰度值，一般将其在8bit数据下设置为255，Hi为像素灰度值，i为像素个数，N为图像像素总数。
但是在硬件设计时，考虑到数据存储和实时性分析，当前帧的直方图均衡结果通过上一帧帧图像的直方图分布结果获得，即：
其中，为第k帧图像直方图均衡后的灰度值，/>为第k-1帧图像直方图均衡前的灰度值，/>为第k-1帧图像的直方图累加结果。
因此，如图7所示，新的一帧图像数据输出之后，需要读取双口RAM中存储的上一帧图像的直方图累加结果。在本实施例中，当当前帧的帧同步信号为高电平时，前一帧图像数据的直方图累加结果已经全部存储到Dual PortRAM模块内，因此当当前帧的帧同步信号为高时，输入的图像数据为Dual Port RAM模块的数据地址，通过该地址将Dual Port RAM模块内相应地址上存储的数据进行读取。
要求在下一帧图像数据来临之前，AddSub模块的反馈置0，以便不影响下一帧图像数据的累加。通过帧同步信号无效时，计数器产生0-255数据的周期判断，当第一个[0-255]区域时，对直方图数据进行叠加，当在该区域外，对AddSub模块的反馈置0。
步骤5、像素值归一：对当前帧图像的像素值所对应的灰度级结果进行归一化操作，获得当前帧图像的直方图均衡结果。
如公式(3)所示，对所得到的上一帧的累加直方图结果需要除以N-1，进行归一化处理。因此，该步骤中，需要2个功能模块：除法器和乘法器。除法器用来对所累加的结果进行除以N-1的归一化处理，乘法器用来将归一化的结果转化类型为uint8(8bit)的图像数据。由于在Sysgen设计中，除法器Divider Generator 5.1 1模块由于余数的位数设置不同，使得该模块的延迟时间不同，余数的位数越大，说明该除法所得结果越精确，该模块的延迟时间越长。根据仿真结果和综合分析，将Divider Generator 5.1 1模块的余数位数设置为8。
为了解决硬件运行环境与频率限制的问题，满足现有硬件条件基础上图像增强算法的Sysgen可实现性，本发明提出一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法。
本发明具有以下有益效果：
1、在一般的直方图均衡实现中，其处理速率需要达到整个数据速率的4倍，对于一般的硬件条件是无法完成和实现的，因此本发明对输入的图像进行多路分割，更加适用于一般硬件环境下，使得在整个直方图数据统计过程中的处理速率与数据传输速率保持一致。
2、考虑到操作的实时性和图像序列之间的相关性，当前帧图像进行直方图均衡时所利用的直方图分布为上一帧图像的统计结果，这样既利用了算法的实时性，也避免了因光照等环境因素图像发生变化而导致成像状态出现问题，利用上一帧图像的统计结果可以让视频的成像变化趋于平稳。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、数据分流：将输入的每一帧图像数据进行数据分流，生成多路图像数据信号；
利用计数器产生一个数据分流使能信号a，所述数据分流使能信号a中包含不断重复的0、1、2、3数据，当数据分流使能信号a为0，则产生第一路信号signal1输出，当数据分流使能信号a为1，则产生第二路信号signal2输出，当数据分流使能信号a为2，则产生第三路信号signal3输出，当数据分流使能信号a为3，则产生第四路信号signal4输出，每一个信号是4个时钟周期，其中，1个为高电平，3个为低电平，当高电平时数据有效，低电平时数据无效；
步骤S2、直方图统计：分别对每一路图像数据信号的灰度级像素个数进行直方图统计；
利用四路不同的数据分流使能信号，使得在该数据分流使能信号为高电平情况下，将图像数据的灰度值作为存储器的地址，读取该地址的数据，并利用加法器对其数据进行加1操作后，将其存储在对应的地址内，持续该循环操作，完成该使能信号下数据的有效统计；
步骤S3、直方图累加：对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果；
步骤S4、直方图均衡：将上一帧图像的直方图累加结果作为当前帧图像的直方图均衡结果。
2.如权利要求1所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，其特征在于，在得到当前帧图像的直方图均衡结果后，对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理。
3.如权利要求2所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强方法，其特征在于，所述的归一化处理包含：
其中，为第k帧图像归一化处理后的灰度值，/>为第k-1帧图像的直方图累加结果。
4.一种基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置，其特征在于，包含：
数据分流装置，用于将输入的每一帧图像数据进行数据分流，生成多路图像数据信号；所述数据分流装置包含至少一个计数器，利用计数器产生一个数据分流使能信号a，所述数据分流使能信号a中包含不断重复的0、1、2、3数据，当数据分流使能信号a为0，则产生第一路信号signal1输出，当数据分流使能信号a为1，则产生第二路信号signal2输出，当数据分流使能信号a为2，则产生第三路信号signal3输出，当数据分流使能信号a为3，则产生第四路信号signal4输出，每一个信号是4个时钟周期，其中，1个为高电平，3个为低电平，当高电平时数据有效，低电平时数据无效；
直方图统计装置，分别对每一路图像数据信号的灰度级像素个数进行直方图统计；所述直方图统计装置包含4组统计模块，所述统计模块包含至少一个加法器和至少一个存储器，利用四路不同的数据分流使能信号，使得在该数据分流使能信号为高电平情况下，将图像数据的灰度值作为存储器的地址，读取该地址的数据，并利用加法器对其数据进行加1操作后，将其存储在对应的地址内，持续该循环操作，完成该使能信号下数据的有效统计；
直方图累加装置，对每一路图像数据信号的直方图统计结果进行累加，得到整帧图像的直方图累加结果；
直方图均衡装置，将上一帧图像的直方图累加结果作为当前帧图像的直方图均衡结果。
5.如权利要求4所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置，其特征在于，所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置还包含：归一化处理装置，对当前帧图像的直方图均衡结果进行归一化处理。
6.如权利要求4所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置，其特征在于，所述的直方图累加装置包含至少一个加法累加器和至少一个存储器。
7.如权利要求5所述的基于Sysgen的可见光图像直方图增强装置，其特征在于，所述的归一化处理装置包含至少一个除法器和至少一个乘法器。
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