一種Retinex圖像增強方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Retinex圖像增強方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像增強是指按特定的需要采用特定方法突出圖像中的某些信息，同時削弱或去 除無關(guān)信息，或?qū)⒃磮D像轉(zhuǎn)換成一種更適合人或機器進行分析處理形式的圖像處理方法。 傳統(tǒng)圖像增強方法主要包含圖像灰度級變換、直方圖均衡化、Ga_a校正、圖像銳化、邊緣增 強等。傳統(tǒng)圖像增強算法一般功能較單一，只能增強某一類型圖像或者圖像的某些局部特 征，并且不同類型圖像需要不斷調(diào)整參數(shù)才能獲得較好的增強效果。
[0003] Retinex圖像增強方法是針對上述情況提出的一種相對最優(yōu)的方法?，F(xiàn)有的 Retinex圖像增強方法如下：
[0004] Retinex圖像增強方法的基本假設(shè)是源圖像F(x, y)是圖像照度分量I (X，y)和圖 像反射分量R(x，y)的乘積，如公式（1)所示，
[0005] F(x,y) = R(x,y) XI(x,y) (1)
[0006] 其中，x，y是圖像橫縱坐標(biāo)點，圖像照度分量I (x，y)代表環(huán)境光，決定了源圖像 F(x，y)的動態(tài)范圍；圖像反射分量R(x，y)代表物體的反射性質(zhì)，決定了源圖像F(x，y)的 圖像細(xì)節(jié)。
[0007] 圖像照度分量I (X，y)如公式（2)所示，
[0008] I (x, y) = F(x, y)*G(x, y) (2)
[0009] G(x，y)為低通卷積環(huán)繞函數(shù)，一般采用高斯形式，用來從源圖像F(x，y)中估算圖 像照度分量I (X，y)，其表達(dá)式為公式（3)所示，
[0010] ,3)
[0011] 其中λ是常量矩陣，它使得
[0012] / / G (x, y) dxdy = 1 (4)
[0013] c為尺度常量。
[0014] 則圖像反射分量R(x，y)可以表示如公式（5)所示，
[0015] R(x,y) = F(x,y)/[F(x,y)*G(x,y)] (5)
[0016] Retinex圖像增強方法基本原理就是源圖像F(x, y)除以源圖像F(x, y)與低通卷 積環(huán)繞函數(shù)G(x，y)的卷積結(jié)果，其目的是消除光照不均的影響，達(dá)到提高圖像視覺效果的 目的。而且低通卷積環(huán)繞函數(shù)G(x，y)越尖銳，圖像反射分量R(x，y)越突出；反之，低通卷 積環(huán)繞函數(shù)G(x，y)越平坦，則圖像照度分量I (X，y)保持得越好。該方法不只增強圖像某一 類特征，還能在亮度再現(xiàn)、動態(tài)范圍壓縮和色彩恒常性三方面達(dá)到平衡，因而可以對不同類 型的圖像進行自適應(yīng)性地增強。但Retinex圖像增強方法采用單/多尺度模板卷積運算， 計算復(fù)雜度往往超出實際應(yīng)用的需要。該方法在軟件平臺上實現(xiàn)時，實時性較差；而通過多 核DSP硬件實現(xiàn)則占用大量內(nèi)存，增加圖像處理系統(tǒng)成本，同時實時性沒有得到徹底改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，提供一種Retinex圖像增強方法及系統(tǒng)，該方法可以 針對不同類型圖像進行自適應(yīng)增強，該系統(tǒng)保證了圖像增強的實時性。
[0018] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種Retinex圖像增強方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟一、對攝像機采集的視頻源圖像進行多次均值濾波迭代生成圖像照度分量， 根據(jù)公式n = m/N，計算均值濾波迭代次數(shù)n，其中N為均值濾波窗口寬度，m為源圖像的寬 度；
[0020] 步驟二、根據(jù)源圖像和圖像照度分量獲得圖像反射分量；
[0021] 步驟三、圖像照射分量修正：使用直方圖統(tǒng)計方法，根據(jù)圖像照射分量各灰度級的 像素點數(shù)目，生成圖像照射分量的直方圖；將所有灰度級像素點累加，將累加結(jié)果均分至所 有灰度級中，生成直方圖均衡映射表；通過直方圖均衡映射表，生成直方圖均衡化后的圖像 照射分量；
[0022] 步驟四、圖像反射分量修正：使用直方圖統(tǒng)計方法，根據(jù)圖像反射分量各灰度級的 像素點數(shù)目，生成圖像反射分量的直方圖；根據(jù)像素點數(shù)目閾值，讀取所有灰度級像素點累 加，計算出自適應(yīng)灰度級范圍及映射灰度級；通過自適應(yīng)映射灰度級，生成自適應(yīng)線性變換 后的圖像反射分量；
[0023] 步驟五、根據(jù)修正后的圖像照射分量和圖像反射分量，計算獲得經(jīng)過Retinex圖 像增強后的圖像。
[0024] 本發(fā)明還提供一種Retinex圖像增強系統(tǒng)，包括迭代卷積模塊、反射分量生成模 塊、照度分量修正模塊、反射分量修正模塊、增強圖像生成模塊，上述模塊均在FPGA上實 現(xiàn)；
[0025] 迭代卷積模塊輸出端同時與反射分量生成模塊和照度分量修正模塊的輸入端相 連，反射分量生成模塊的輸出端與反射分量修正模塊的輸入端相連，反射分量修正模塊的 輸出端與增強圖像生成模塊的輸入端相連，照度分量修正模塊的輸出端與增強圖像生成模 塊的輸入端相連。
[0026] 攝像機采集的視頻源圖像送入迭代卷積模塊進行多次均值濾波迭代生成照度分 量發(fā)送給反射分量生成模塊與照度分量修正模塊；
[0027] 反射分量生成模塊接收到照度分量后，讀取存儲在第一塊隨機存儲器中的源圖像 后計算反射分量，然后將反射分量發(fā)送至反射分量修正模塊；
[0028] 反射分量修正模塊接收到反射分量后，利用自適應(yīng)灰度變換對反射分量進行修 正，修正后的反射分量發(fā)送給增強圖像生成模塊；
[0029] 照度分量修正模塊接收到照度分量后，利用直方圖均衡化對照度分量進行修正， 修正后的照度分量發(fā)送給增強圖像生成模塊；
[0030] 增強圖像生成模塊接收到修正后的反射分量和照度分量，生成增強后的圖像。
[0031] 本發(fā)明Retinex圖像增強系統(tǒng)中，中間產(chǎn)生的部分?jǐn)?shù)據(jù)利用片內(nèi)塊隨機存儲器進 行緩存。具體為：攝像機采集的視頻源圖像與反射分量生成模塊之間連接有第一塊隨機存 儲器，反射分量生成模塊調(diào)用第一塊隨機存儲器，照度分量修正模塊內(nèi)部調(diào)用第二塊隨機 存儲器和第三塊隨機存儲器，反射分量生成模塊內(nèi)部調(diào)用第四塊隨機存儲器和第五塊隨機 存儲器。攝像機采集的視頻源圖像使用第一塊隨機存儲器進行緩存；照度分量修正模塊進 行直方圖統(tǒng)計的灰度值個數(shù)緩存在第二塊隨機存儲器中，而直方圖均衡化映射表緩存在第 三塊隨機存儲器中；反射分量修正模塊進行自適應(yīng)灰度拉伸統(tǒng)計的灰度值個數(shù)緩存在第四 塊隨機存儲器中，而自適應(yīng)灰度拉伸映射表緩存在第五塊隨機存儲器中。
[0032] 本發(fā)明對低通卷積環(huán)繞函數(shù)的改進
[0033] 如【背景技術(shù)】中式（3)所示，高斯形式的低通卷積環(huán)繞函數(shù)G(x，y)，由于存在指數(shù) 函數(shù)，因此硬件實現(xiàn)時計算復(fù)雜，本發(fā)明選用均值濾波代替高斯形式的低通卷積環(huán)繞函數(shù) G(x，y)對源圖像F(x，y)進行卷積。
[0034] 例如，以窗口大小N = 3為例對源圖像信，
采用均值濾波進行 卷積，ay為圖像坐標(biāo)對應(yīng)的灰度值，m、η為源圖像長和寬。
[0035] 則一次均值濾波后圖像信號為
〃 by是第一次均值濾波后圖像 坐標(biāo)對應(yīng)的灰度值。
[0036] 由均值濾波算法知，任意位bi」（1彡i彡η, 1彡j彡m)的值為a; u i至ai+1,.j+1連 續(xù)9個數(shù)的均值，即
[0037]
(5)
[0038] 設(shè)第二次均值濾波后的圖像信號：
^,是 第二次均值濾波后圖像坐標(biāo)對應(yīng)的灰度值。當(dāng)i = 1，η時，= 1?。展開得到式（6) 所示
[0039]
[0040] 同理，三次均值濾波后的圖像信號
，其中屯如式（7)所示，屯 是第三次均值濾波后圖像坐標(biāo)對應(yīng)的灰度值。
[0041]
[0042] 同樣，可以推導(dǎo)出更多次均值濾波的迭代過程。式（6)、（7)表明，多次均值濾波后 圖像信號任意點(或 Cl])的值取決于i，j位前后上下數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值，且權(quán)值數(shù)據(jù)分 布具備高斯特性，即符合式（3)的分布特性。因此，多次均值濾波迭代可以很好地逼近高斯 形式的低通卷積環(huán)繞函數(shù)G (X，y)。
[0043] 本發(fā)明圖像照度分量與圖像反射分量的修正
[0044] 圖像照度分量I (X，y)代表環(huán)境光，對應(yīng)著圖像的低頻分量，決定了源圖像F(x，y) 中像素能到達(dá)的動態(tài)范圍，與物體無關(guān)。本發(fā)明通過直方圖均衡化修正圖像照度分量 I(x，y)，來提高圖像的全局對比度。圖像反射分量R(x，y)代表物體的反射性質(zhì)，對應(yīng)著圖 像中的高頻分量，決定了源圖像F(x，y)的圖像細(xì)節(jié)。因此，可以通過調(diào)整圖像反