一种基于FPGA的实时图像自适应增强系统及方法，输入图像分两路进行处理，第一路先进行Y分量变换，再统计五区域直方图，根据区域直方图自动产生比例系数；第二路先进行位宽变换、数据缓存，然后通过存储器接口驱动模块把图像存入外部存储器中，最后读出图像数据进行图像插值、YUV变换；第一路处理后产生的比例系数和第二路处理后的YUV图像数据，共同作为分段线性变换模块的输入，分段线性变换模块对Y分量进行分段线性变换，输出变换后的YUV图像数据。本发明专利技术采用了五段线性变换，首次将五区域直方图与五区域比例系数关联在一起，具有适应范围广，增强效果好的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于FPGA的实时图像自适应增强系统及方法。属于图像增强处 理领域。
技术介绍
近年来，图像增强技术广泛用于生物医学、机器视觉、遥感航天领域。其中，获得高 品质的实时图像是一个难点，主要因素有：在图像的产生过程中，不可避免的由于环境、光 照、运动、曝光等因素，影响图像的质量；随着图像分辨率和帧频的提高，图像数据量越来越 大，图像的实时性处理难度增加。因此，频率域图像增强方法，这些需要存在域之间变换和 反变换、计算复杂的方法难以满足实时性要求。 针对实时图像自适应增强，比较常用方法有直方图均衡化和分段线性变换法。直 方图均衡法的优点是能自动地增强整个图像的对比度，但它的具体增强效果不易控制，往 往在增强目标的同时，也增强了背景和噪声，并且可能出现大量灰度合并的现象。而分段线 性变换法算法简单，它的形式可以任意组合，适应性强。但是分段线性变换法需要较多的用 户输入，以便确定分段区域、比例系数，获得最佳增强效果。 目前国内，针对分段线性变换法，发表的文献有《红外技术》的《基于FPGA的红外 图像自适应分段线性增强算法》和《光电子技术》的《一种红外测量图像自适应分段线性灰 度变换方法》。此类技术主要采用三段线性增强方法，把一幅图像分成三部分，灰度级较高 的目标、灰度较低的背景和介于背景和目标的过渡区域，对目标区域进行拉伸，对背景区域 进行压缩，对过渡区域不拉伸。此类方法对红外图像取得了较好的效果，但是对可见光等其 它类型图像，适应性不好，况且如果图像目标区域已经很亮，继续采用此类方法，对目标区 域进行拉伸，效果将变差。【
技术实现思路
】 本专利技术的技术解决问题是：针对现有技术中，一幅图像采用，对目标区域进行拉 伸，对背景区域进行压缩，对过渡区域不拉伸。这种三段线性增强方法适应性不强，对过亮 区域处理失效的问题，提供了一种基于FPGA的实时图像自适应增强系统及方法，不仅能够 对不同类型图像进行有效增强，而且对偏暗图像进行增强，对偏亮图像进行减弱，达到了自 适应增强效果。 本专利技术的技术解决方案是：一种基于FPGA的实时图像自适应增强系统，包括Y分 量变换模块、统计直方图模块、计算比例系数模块、数据转换模块、图像插值模块、YUV变换 模块、缓存延时模块、分段线性变换模块，在FPGA中能实现。 外部传感器将采集的Bayer格式图像数据，包括多比特数据、lbit场同步信号和 lbit行同步信号，分别送至数据转换模块和Y分量变换模块； Y分量变换模块，根据lbit场同步信号和lbit行同步信号，将外部传感器采集的 Bayer格式图像以2x2像素为单元，进行Y分量变换，得到Y分量、Y分量变换后的场同步信 号、Y分量变换后的行同步信号，变换公式如下： Y= 0. 299XR+0. 587G+0. 114B 式中的R为2x2像素中的一个红Red分量，G为2x2像素中两个绿Green分量的 均值，B为2x2像素中的一个蓝Blue分量； 将Y分量变换后得到的Y分量、Y分量变换后的场同步信号、Y分量变换后的行同 步信号，送至统计直方图模块； 统计直方图模块，根据Y分量变换后的场同步信号、Y分量变换后的行同步信号， 把Y分量变换后的Y分量的灰度值分成5段区域，分别是、（50, 100]、（100, 150]、 (150, 200]、（200, 255]，统计区域的Y分量像素个数为R1，统计（50, 100]区域的Y 分量像素个数为R2,统计（100, 150]区域的Y分量像素个数为R3,统计（150, 200]区域的 Y分量像素个数为R4,统计（200, 255]区域的Y分量像素个数为R5,然后把区域的 Y分量像素个数为R1、（50, 100]区域的Y分量像素个数为R2、（100, 150]区域的Y分量像 素个数为R3、（150, 200]区域的Y分量像素个数为R4、（200, 255]区域的Y分量像素个数为 R5,送至计算比例系数模块； 计算比例系数模块，根据区域的Y分量像素个数为R1、（50, 100]区域的Y 分量像素个数为R2、（100, 150]区域的Y分量像素个数为R3、（150, 200]区域的Y分量像 素个数为R4、（200, 255]区域的Y分量像素个数为R5,按照线性比例关系，产生区 域的比例系数K1、（50, 100]区域的比例系数K2、（100, 150]区域的比例系数K3、（150, 200] 区域的比例系数K4、（200, 255]区域的比例系数K5,线性比例关系公式如下：其中 0 彡b< 1，n= 1，2-5 式中H、V分别是Bayer格式图像水平方向和垂直方向上的像素个数，b是可以调 节的参数，通过改变该参数来控制增强强度； 产生的区域的比例系数K1、（50, 100]区域的比例系数K2、（100, 150]区域 的比例系数K3、（150, 200]区域的比例系数K4、（200, 255]区域的比例系数K5,送至分段线 性变换模块； 数据转换模块，根据外部传感器采集的Bayer格式图像数据中的lbit行同步信号 和lbit场同步信号，将外部传感器采集的Bayer格式图像数据中的多比特数据进行位宽转 换并通过存储器接口驱动模块存储至外部存储器；同时数据转换模块，通过存储器驱动接 口模块，从外部存储器中按行读出Bayer格式图像数据，同时产生按行读出Bayer格式图像 的行同步信号、按行读出Bayer格式图像的场同步信号，并将按行读出的Bayer格式图像数 据、按行读出Bayer格式图像的行同步信号、按行读出Bayer格式图像的场同步信号送至图 像插值模块； 图像插值模块，根据按行读出Bayer格式图像的行同步信号、按行读出Bayer格式 图像的场同步信号，对按行读出的Bayer格式图像数据进行插值，插成三基色RGB彩色图 像，该三基色RGB彩色图像包括R分量、G分量、B分量、三基色RGB彩色图像的行同步信号、 三基色RGB彩色图像的场同步信号，送至YUV变换模块； YUV变换模块，根据三基色RGB彩色图像的行同步信号、三基色RGB彩色图像的场 同步信号，对三基色RGB彩色图像进行YUV变换，得到变换后的YUV图像、YUV图像的场同 步信号、YUV图像的行同步信号，变换公式如下： 变换后的YUV图像包括Y分量、U分量、V分量； 将该YUV图像的U分量、V分量，送至缓存延时模块； 将YUV图像的Y分量、YUV图像的场同步信号、YUV图像的行同步信号，送至分段线 性变换模块； 分段线性变换模块，根据YUV图像的场同步信号、YUV图像的行同步信号，对YUV图 像的Y分量按照区域的比例系数K1、（50, 100]区域的比例系数K2、（100, 150]区域 的比例系数K3、（150, 200]区域的比例系数K4、（200, 255]区域的比例系数K5,进行分段线 性变换，公式如下： 式中x为分段线性变换模块输入的Y分量像素值，y为分段线性变换模块输出的 Y分量像素值，分段线性变换后输出分段线性变换后的Y分量、分段线性变换后的场同步信 号、分段线性变换后的行同步信号； 缓存延时模块，对YUV图像的U分量、V分量进行缓存延时，使缓存延时后的U分 量、缓存延时后的V分量与分段线本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA的实时图像自适应增强系统，其特征在于：包括Y分量变换模块、统计直方图模块、计算比例系数模块、数据转换模块、存储器接口驱动模块、图像插值模块、YUV变换模块、缓存延时模块、分段线性变换模块，在FPGA中能实现。外部传感器将采集的Bayer格式图像数据，包括多比特数据、1bit场同步信号和1bit行同步信号，分别送至数据转换模块和Y分量变换模块；Y分量变换模块，根据1bit场同步信号和1bit行同步信号，将外部传感器采集的Bayer格式图像以2x2像素为单元，进行Y分量变换，得到Y分量、Y分量变换后的场同步信号、Y分量变换后的行同步信号，变换公式如下：Y＝0.299×R+0.587G+0.114B式中的R为2x2像素中的一个红Red分量，G为2x2像素中两个绿Green分量的均值，B为2x2像素中的一个蓝Blue分量；将Y分量变换后得到的Y分量、Y分量变换后的场同步信号、Y分量变换后的行同步信号，送至统计直方图模块；统计直方图模块，根据Y分量变换后的场同步信号、Y分量变换后的行同步信号，把Y分量变换后的Y分量的灰度值分成5段区域，分别是[0,50]、(50,100]、(100,150]、(150,200]、(200,255]，统计[0,50]区域的Y分量像素个数为R1，统计(50,100]区域的Y分量像素个数为R2，统计(100,150]区域的Y分量像素个数为R3，统计(150,200]区域的Y分量像素个数为R4，统计(200,255]区域的Y分量像素个数为R5，然后把[0,50]区域的Y分量像素个数为R1、(50,100]区域的Y分量像素个数为R2、(100,150]区域的Y分量像素个数为R3、(150,200]区域的Y分量像素个数为R4、(200,255]区域的Y分量像素个数为R5，送至计算比例系数模块；计算比例系数模块，根据[0,50]区域的Y分量像素个数为R1、(50,100]区域的Y分量像素个数为R2、(100,150]区域的Y分量像素个数为R3、(150,200]区域的Y分量像素个数为R4、(200,255]区域的Y分量像素个数为R5，按照线性比例关系，产生[0,50]区域的比例系数K1、(50,100]区域的比例系数K2、(100,150]区域的比例系数K3、(150,200]区域的比例系数K4、(200,255]区域的比例系数K5，线性比例关系公式如下：其中0≤b＜1，n＝1,2…5式中H、V分别是Bayer格式图像水平方向和垂直方向上的像素个数，b是可以调节的参数，通过改变该参数来控制增强强度；产生的[0,50]区域的比例系数K1、(50,100]区域的比例系数K2、(100,150]区域的比例系数K3、(150,200]区域的比例系数K4、(200,255]区域的比例系数K5，送至分段线性变换模块；数据转换模块，根据外部传感器采集的Bayer格式图像数据中的1bit行同步信号和1bit场同步信号，将外部传感器采集的Bayer格式图像数据中的多比特数据进行位宽转换并通过存储器接口驱动模块存储至外部存储器；同时数据转换模块，通过存储器驱动接口模块，从外部存储器中按行读出Bayer格式图像数据，同时产生按行读出Bayer格式图像的行同步信号、按行读出Bayer格式图像的场同步信号，并将按行读出的Bayer格式图像数据、按行读出Bayer格式图像的行同步信号、按行读出Bayer格式图像的场同步信号送至图像插值模块；图像插值模块，根据按行读出Bayer格式图像的行同步信号、按行读出Bayer格式图像的场同步信号，对按行读出的Bayer格式图像数据进行插值，插成三基色RGB彩色图像，该三基色RGB彩色图像包括R分量、G分量、B分量、三基色RGB彩色图像的行同步信号、三基色RGB彩色图像的场同步信号，送至YUV变换模块；YUV变换模块，根据三基色RGB彩色图像的行同步信号、三基色RGB彩色图像的场同步信号，对三基色RGB彩色图像进行YUV变换，得到变换后的YUV图像、YUV图像的场同步信号、YUV图像的行同步信号，变换公式如下：YUV=0.2990.5870.114-0.148-0.2890.4370.615-0.515-0.100.RGB]]>变换后的YUV图像包括Y分量、U分量、V分量；将该YUV图像的U分量、V分量，送至缓存延时模块；将YUV图像的Y分量、YUV图像的场同步信号、YUV图像的行同步信号，送至分段线性变换模块；分段线性变换模块，根据YUV图像的场同步信号、YUV图像的行同步信号，对YUV图像的Y分量按照[0,50]区域的比例系数K1、(50,100]区域的比例系数K2、(100,150]区域的比例系数K3、(150,200]区域的比例系数K4、(200,255]区域的比例系数K5，进行分段...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董国伟，牟研娜，唐琦，张宏伟，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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