本發(fā)明涉及圖像視頻處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，高品質(zhì)實(shí)時(shí)視頻顯示技術(shù)的需求日益擴(kuò)大。傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)是利用CPU(中央處理器)等基于馮.洛伊曼結(jié)構(gòu)或DSP(哈佛結(jié)構(gòu))的穿行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)已經(jīng)取得了良好的處理效果，但是由于圖像數(shù)據(jù)本身具有數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)，再加之圖像增強(qiáng)算法復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算過(guò)程，使得圖像增強(qiáng)面臨著巨大的數(shù)據(jù)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法、系統(tǒng)、設(shè)備，能夠減少圖像增強(qiáng)處理時(shí)的數(shù)據(jù)運(yùn)算量。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法，包括：獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；選擇對(duì)應(yīng)所述灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；獲得所述圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；利用所述灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)所述待處理圖像的所述灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；處理所述映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像。

其中，所述圖像增強(qiáng)方法包括灰度拉伸、直方圖均衡，所述選擇對(duì)應(yīng)所述灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法包括：判斷所述灰度數(shù)據(jù)與第一閾值范圍的大小，若所述灰度數(shù)據(jù)在所述第一閾值范圍內(nèi)，則選擇所述灰度拉伸處理方法；若所述灰度數(shù)據(jù)在所述第一閾值范圍外，則選擇所述直方圖均衡處理方法。

其中，所述圖像增強(qiáng)方法包括圖像復(fù)原，所述選擇對(duì)應(yīng)所述灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法包括：判斷所述灰度數(shù)據(jù)的噪聲方差與第二閾值范圍的大小，若所述噪聲方差在所述第二閾值范圍外，則選擇所述圖像復(fù)原處理方法。

其中，所述獲得所述圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表包括：選擇所述圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)，根據(jù)所述處理函數(shù)獲得對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，并將所述灰度映射數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)以供調(diào)用。

其中，所述獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)包括：提取所述待處理圖像的RGB圖像數(shù)據(jù)，將所述RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為YUV空間數(shù)據(jù)；提取所述YUV空間數(shù)據(jù)中的灰度數(shù)據(jù)；所述處理所述映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像包括：將所述映射灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB圖像數(shù)據(jù)后輸出。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)系統(tǒng)，包括：第一獲取模塊，用于獲取待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；選擇模塊，用于選擇對(duì)應(yīng)所述灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；第二獲取模塊，用于獲得所述圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；處理模塊，用于利用所述灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)所述待處理圖像的所述灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；輸出模塊，用于處理所述映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像。

其中，所述圖像增強(qiáng)方法包括灰度拉伸、直方圖均衡，所述選擇模塊判斷所述灰度數(shù)據(jù)與第一閾值范圍的大小，若所述灰度數(shù)據(jù)在所述第一閾值范圍內(nèi)，則選擇所述灰度拉伸處理方法；若所述灰度數(shù)據(jù)在所述第一閾值范圍外，則選擇所述直方圖均衡處理方法。

其中，所述圖像增強(qiáng)方法包括圖像復(fù)原，所述選擇模塊判斷所述灰度數(shù)據(jù)的噪聲方差與第二閾值范圍的大小，若所述噪聲方差在所述第二閾值范圍外，則選擇所述圖像復(fù)原處理方法。

其中，第一獲取模塊包括第一轉(zhuǎn)換單元和第一獲取單元，所述第一轉(zhuǎn)換單元用于將所述待處理圖像的RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YUV空間數(shù)據(jù)，所述第一獲取單元提取所述YUV空間數(shù)據(jù)中的灰度數(shù)據(jù)；輸出模塊包括第二轉(zhuǎn)換單元和輸出單元，所述第二轉(zhuǎn)換單元用于將所述映射灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB圖像數(shù)據(jù)，所述輸出單元用于輸出所述RGB圖像數(shù)據(jù)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)設(shè)備，包括：接收器，用于接收待處理圖像；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；處理器，用于獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；選擇對(duì)應(yīng)所述灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；獲得所述圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；利用所述灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)所述待處理圖像的所述灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；處理所述映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像。

本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明所提供的基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法，通過(guò)預(yù)先獲得圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，然后利用該灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的FPGA圖像增強(qiáng)方法處理圖像時(shí)利用預(yù)先存儲(chǔ)的灰度映射數(shù)據(jù)表，可減少?gòu)?fù)雜的圖像增強(qiáng)方法計(jì)算，系統(tǒng)的運(yùn)算數(shù)據(jù)量大大降低，處理效率大大提升。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法一實(shí)施方式的流程示意圖；

圖2是運(yùn)用圖1中圖像增強(qiáng)方法處理圖像的前后對(duì)比圖；

圖3是本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)系統(tǒng)一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)設(shè)備一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所提供的一種基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法、系統(tǒng)及設(shè)備中FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)是本發(fā)明的基礎(chǔ)，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)及時(shí)解決了傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)處理系統(tǒng)所面臨的難題，并行計(jì)算能力彌補(bǔ)了當(dāng)前主流數(shù)據(jù)處理芯片的短板。

請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法一實(shí)施方式的流程示意圖，包括：

S101：獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；

具體地，RGB是目前工業(yè)界的顏色標(biāo)準(zhǔn)，是通過(guò)R、G、B三種基色相互疊加而產(chǎn)生其他各種各樣的顏色；YUV是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法(屬于PAL)，是PAL和SECAM模擬彩色電視制式采用的顏色空間。在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝影機(jī)或彩色CCD攝影機(jī)進(jìn)行取像，然后把取得的彩色圖像信號(hào)經(jīng)分色、分別放大校正后得到RGB，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到灰度數(shù)據(jù)Y和兩個(gè)色差數(shù)據(jù)B－Y(即U)、R－Y(即V)。因此，本實(shí)施例中，獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)包括：提取待處理圖像的RGB圖像數(shù)據(jù)，將RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為YUV空間數(shù)據(jù)，提取YUV空間數(shù)據(jù)中的灰度數(shù)據(jù)。在其他實(shí)施例中，也可通過(guò)其他方法獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)，本發(fā)明對(duì)此不作限定。

S102：選擇對(duì)應(yīng)灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；

具體地，圖像增強(qiáng)的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，去除噪聲，提高圖像的清晰度等，尤其是當(dāng)圖像處于低照度的情況下。

目前，常用的圖像增強(qiáng)方法包括灰度拉伸、直方圖均衡，S102步驟具體包括：判斷灰度數(shù)據(jù)與第一閾值范圍的大小，若灰度數(shù)據(jù)在第一閾值范圍內(nèi)，則選擇灰度拉伸處理方法；若灰度數(shù)據(jù)在第一閾值范圍外，則選擇直方圖均衡處理方法，如當(dāng)灰度數(shù)據(jù)為0-10范圍內(nèi)時(shí)，選擇灰度拉伸處理方法；當(dāng)灰度數(shù)據(jù)為10-200范圍內(nèi)時(shí)，選擇直方圖均衡處理方法；在其他實(shí)施例中，第一閾值范圍的取值也可為其他。

目前，常用的圖像增強(qiáng)方法還包括圖像復(fù)原，該方法主要是為了去除圖像的噪聲，步驟S102具體為：判斷灰度數(shù)據(jù)的噪聲方差與第二閾值范圍的大小，若噪聲方差在第二閾值范圍外，則選擇圖像復(fù)原處理方法，如第二閾值范圍選擇0-25；在其他實(shí)施例中，第二閾值范圍的取值也可為其他。

需要說(shuō)明的是，在其他實(shí)施例中，還可為其他任意圖像增強(qiáng)方法，如二值化等，本發(fā)明對(duì)此不作限定。另外，在其他實(shí)施例中，也可根據(jù)實(shí)際情況同時(shí)采取多種圖像增強(qiáng)方法，本發(fā)明對(duì)此不作限定，例如，首先判斷待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)是否在第一閾值范圍內(nèi)，如是，則采用灰度拉伸方法處理圖像；接著根據(jù)處理后的圖像的灰度數(shù)據(jù)獲得處理后圖像的噪聲方差，進(jìn)而判斷噪聲方差是否在第二閾值范圍內(nèi)，若不是，則采用圖像復(fù)原的方法處理圖像。

S103：獲得圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；

具體地，由于FPGA不能支持小數(shù)運(yùn)算，而圖像增強(qiáng)方法，如灰度拉伸等又涉及到小數(shù)運(yùn)算，因此要在FPGA中實(shí)現(xiàn)灰度拉伸，需要涉及到其他浮點(diǎn)數(shù)的處理運(yùn)算，這會(huì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加、復(fù)雜度增大。因此本發(fā)明所采取的方式為選擇圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)，根據(jù)處理函數(shù)獲得對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，并將灰度映射數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)以供調(diào)用。

如前所述，在一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，F(xiàn)PGA圖像增強(qiáng)系統(tǒng)處理圖像時(shí)只涉及灰度映射數(shù)據(jù)表調(diào)用處理，不涉及復(fù)雜的圖像增強(qiáng)方法計(jì)算，系統(tǒng)的處理效率大大提升。詳細(xì)而言，首先選取圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)，然后通過(guò)VC++或者M(jìn)atlab編程計(jì)算得出圖像增強(qiáng)前后的灰度值的灰度映射數(shù)據(jù)表，將得到的灰度映射數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)。在本實(shí)施例中，灰度拉伸可以選擇三段式灰度拉伸函數(shù)；直方圖均衡可選擇g＝EQ(f)函數(shù)，該映射函數(shù)EQ(f)滿足以下兩個(gè)條件(其中L為圖像的灰度級(jí)數(shù)):在0≤f≤L-1范圍內(nèi)是一個(gè)單值單增函數(shù)；對(duì)于0≤f≤L-1有0≤g≤L-1；圖像復(fù)原可選擇的噪聲函數(shù)有：高斯噪聲函數(shù)、瑞利噪聲函數(shù)、伽馬噪聲函數(shù)、指數(shù)噪聲函數(shù)等。在其他實(shí)施例中，圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，本發(fā)明對(duì)此不作限定。

S104：利用灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；

具體地，此時(shí)只需要從存儲(chǔ)灰度映射數(shù)據(jù)表的區(qū)域調(diào)用灰度映射數(shù)據(jù)表，即可得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射數(shù)據(jù)，而不需要進(jìn)行其他復(fù)雜的算法計(jì)算。

S105：處理映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像；

具體地，將映射灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB圖像數(shù)據(jù)后輸出。

在其他實(shí)施例中，對(duì)于視頻的處理，可以根據(jù)上述方法，處理視頻的每一幀RGB圖像，然后再將處理后的每一幀RGB圖像輸出為VGA等視頻格式。

在一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，選用Altera公司的低成本FPGA Cyclone系列器件，應(yīng)用該器件進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理開(kāi)發(fā)有如下優(yōu)點(diǎn)：低成本高性能，適應(yīng)圖像增強(qiáng)處理要求較高的需要；豐富的內(nèi)嵌存儲(chǔ)器資源，適應(yīng)大量圖像數(shù)據(jù)存取的需要；豐富的硬件乘法器，適應(yīng)圖像增強(qiáng)算法的需要。在以下實(shí)施例中FPGA選用開(kāi)發(fā)板自帶的ED4CE115F29C芯片。在其他實(shí)施例中，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的型號(hào)，本發(fā)明對(duì)此不作限定。請(qǐng)結(jié)合圖2，圖2為運(yùn)用圖1中方法處理圖像的前后對(duì)比圖。圖2(a)為待處理圖像，經(jīng)計(jì)算獲得該圖像的灰度數(shù)據(jù)為9，此時(shí)該灰度數(shù)據(jù)處于第一閾值范圍0-10內(nèi)，選擇灰度拉伸圖像增強(qiáng)方法，進(jìn)而得到處理后的圖像(b)，圖像(b)灰度呈現(xiàn)向黑白兩級(jí)靠近的趨勢(shì)，暗的部分更加黑暗，亮的部分更加明亮；圖2(c)為又一待處理圖像，計(jì)算獲得該圖像的灰度數(shù)據(jù)為158，此時(shí)該灰度數(shù)據(jù)處于第一閾值范圍0-10之外，選擇直方圖均衡圖像增強(qiáng)方法，進(jìn)而獲得處理后圖像(d)，圖像(d)的灰度分布變得均勻，較暗的圖像區(qū)域變得明亮，圖像的可辨別性增加；圖2(e)為再一待處理圖像，該圖像噪聲較大，經(jīng)計(jì)算該圖像的噪聲方差超過(guò)第二閾值范圍0-25，因此采用圖像復(fù)原技術(shù)，在本實(shí)施例中采用維納濾波對(duì)圖(e)進(jìn)行處理進(jìn)而得到圖(f)，圖像的噪聲水平明顯降低。

當(dāng)然，也可以選用其他公司的FPGA器件，只要具備相應(yīng)功能即可。

請(qǐng)參閱圖3，圖3為本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)系統(tǒng)一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：

第一獲取模塊30，用于獲取待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；具體地，在一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，第一獲取模塊30包括第一轉(zhuǎn)換單元301和第一獲取單元302，第一轉(zhuǎn)換單元301用于將待處理圖像的RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YUV空間數(shù)據(jù)，第一獲取單元302提取YUV空間數(shù)據(jù)中的灰度數(shù)據(jù)；

選擇模塊31，用于選擇對(duì)應(yīng)灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；具體地，在一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，圖像增強(qiáng)方法包括灰度拉伸、直方圖均衡，選擇模塊判斷灰度數(shù)據(jù)與第一閾值范圍的大小，若灰度數(shù)據(jù)在第一閾值范圍內(nèi)，則選擇灰度拉伸處理方法；若灰度數(shù)據(jù)在第一閾值范圍外，則選擇直方圖均衡處理方法；在另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，圖像增強(qiáng)方法包括圖像復(fù)原，選擇模塊判斷灰度數(shù)據(jù)的噪聲方差與第二閾值范圍的大小，若噪聲方差在第二閾值范圍外，則選擇圖像復(fù)原處理方法；在其他實(shí)施例中，也可為其他圖像增強(qiáng)方法，本發(fā)明對(duì)此不作限定；

第二獲取模塊32，用于獲得圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，獲得灰度映射表的方法過(guò)程與上述實(shí)施例中的相同，在此不再贅述；

處理模塊33，用于利用灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；

輸出模塊34，用于處理映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像；具體地，在一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，輸出模塊34包括第二轉(zhuǎn)換單元342和輸出單元341，第二轉(zhuǎn)換單元342用于將映射灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB圖像數(shù)據(jù)，輸出單元341用于輸出RGB圖像數(shù)據(jù)；在另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，輸出單元341還用于輸出RGB圖像數(shù)據(jù)后，再轉(zhuǎn)化為VGA等視頻格式后輸出。

請(qǐng)參閱圖4，圖4為本發(fā)明基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)設(shè)備一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：

接收器40，用于接收待處理圖像，當(dāng)接收的為視頻時(shí)，需要將視頻分解為每一幀圖像，然后對(duì)每一幀圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；

存儲(chǔ)器41，用于存儲(chǔ)圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，可以通過(guò)ROM或者RAM等分別存儲(chǔ)或者統(tǒng)一存儲(chǔ)每種圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；

處理器42，用于獲得待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)；選擇對(duì)應(yīng)灰度數(shù)據(jù)的圖像增強(qiáng)方法；獲得圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表；利用灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)；處理映射灰度數(shù)據(jù)以輸出圖像。

綜上所述，區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明所提供的基于FPGA的圖像視頻增強(qiáng)方法預(yù)先獲得圖像增強(qiáng)方法對(duì)應(yīng)的灰度映射數(shù)據(jù)表，然后利用該灰度映射數(shù)據(jù)表得到對(duì)應(yīng)待處理圖像的灰度數(shù)據(jù)的映射灰度數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的FPGA圖像增強(qiáng)系統(tǒng)處理圖像時(shí)只涉及預(yù)先存儲(chǔ)的灰度映射數(shù)據(jù)表的調(diào)用處理，不涉及復(fù)雜的圖像增強(qiáng)方法計(jì)算，系統(tǒng)的運(yùn)算數(shù)據(jù)量大大降低，處理效率大大提升。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。