实时低照度彩色图像增强方法研究

焦慧华

(琼台师范学院，海南 海口 571127)

一、引言

视频图像增强处理技术一直是图像处理领域一类非常重要的基本处理技术。图像增强处理技术的应用已经渗透到航空航天、军事侦察、医学诊断、卫星图片的处理等领域。如恶劣天气下飞机的视景增强系统，需要采用图像增强处理方法克服因光线不足、沙尘、烟雾等原因带来的图像模糊，从而为飞行器提供可视化导航。视频监控系统在光线不足的环境下容易导致视频模糊，图像不清晰，通过图像增强处理可以使视频图像质量得到改善，产生更好的可视化效果。

直方图均衡化以概率论为基础,通过对图像中像素点的灰度值变换以达到图像增强的目的,其典型的算法有直方图均衡算法(HE)、直方图投影算法(HP)、平台直方图均衡法(PE)。直方图均衡算法是一种非线性拉伸法,先求出原始图像的直方图,再用灰度级的累计概率分布作为变换系数,乘以转换后图像的总的灰度级数得到图像灰度的转换关系。这种算法主要是针对出现概率较大的目标像素,将灰度分布集中的像素扩展到更宽的灰度级上,同时压缩数量少的像素,增强图像的对比度,从而达到增强图像的效果。

为了克服现有技术存在的处理实时性不足问题，本文目的在于提供一种实时低照度彩色图像增强方法，对低照度的彩色视频图像进行实时增强处理，扩展图像动态范围，提高对比度，同时能够实现高速高分辨率视频监控图像的增强，提高视频图像的可视效果。

二、关键实现技术

（一）实现技术方案

一种实时低照度彩色图像增强方法，主要包括以下步骤：

1.将RGB彩色图像转换至YCbCr色彩空间，变换关系如下式所示：

Y＝0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

Cb＝-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128

Cr＝0.439*R-0.368*G-0.071*B+128

2.对YCbCr色彩空间的Y分量进行直方图均衡处理；

3.分别对Cb、Cr彩色分量进行阈值判别，对于不在设定阈值范围的分量进行非线性变换；

4.对上述经过处理后的YCbCr色彩分量进行反变换至RGB色彩空间，最后获得到经过增强处理的彩色图像。

依据上述特征，所述直方图均衡处理的方法为：（1）直方图统计：对每个像素值出现的次数进行统计；（2）直方图累加：对直方图统计结果进行累加求和；（3）直方图映射：对直方图累加的[]结果进行位移和除法，得到直方图映射后的像素值。同时，Cb、Cr阈值由预先对正常图像进行统计确定。此外，所述非线性变换的变换系数采用查找表方式预先存储在存储器中。

（二）实现方案设计

我们提出的低照度彩色图像实时增强方法，其处理流程如图1所示。图中所有步骤都在FPGA中实现，其中包括RGB转YCbCr模块、直方图均衡模块、非线性变换模块和YCbCr转RGB模块。所述RGB转YCbCr模块用于将RGB彩色图像转换至YCbCr色彩空间。所述直方图均衡模块用于对YCbCr色彩空间的Y分量进行直方图均衡处理。所述非线性变换模块分别对Cb、Cr彩色分量进行阈值判别，对于不在设定阈值范围的分量进行非线性变换。所述YCbCr转RGB模块用于将经过处理后的YCbCr色彩分量进行反变换至RGB色彩空间。

图1 低照度彩色图像实时增强处理流程

图2 基于FPGA的直方图均衡算法框图

由于直方图均衡算法时间复杂度相对较高，为了满足高速实时视频处理（每秒60帧）的要求，本文在对传统的直方图均衡方法进行分析的基础上，设计了基于FPGA的快速直方图均衡方法，其处理框图如图2所示。由处理框图可知，直方图均衡处理包括3个子模块：(1)直方图统计模块 (2)直方图累加模块(3)直方图映射模块。下面分别介绍3个模块的具体设计实施。

直方图统计要求对每个像素值出现的次数进行统计，因此可以设计一个256×18 bit的双端口RAM作为直方图寄存单元。将输入的像素值作为双端口RAM的写入地址，每次对相同的像素出现的次数进行加1，所以要在每次写RAM之前首先将RAM中的暂存的数据读出，并进行加1处理，然后再写入到RAM中。其实现的逻辑结构如图3所示。图中另外一个双端口RAM2是用来保存直方图最后统计结果的寄存器。

图3 直方图均衡处理逻辑框图

当直方图统计结束后，需要对直方图统计结果进行累加求和。并将累计结果作为均衡化处理的依据，所以需要将每次累加的和保存在另外一个双端口RAM中。累加的过程是从上面直方图统计模块的双端口RAM2中，依次读出每个数据，并进行累加，累加结果同时存入双端口RAM3中。累加操作是在场消隐期进行，所以每次累加结束后要用场同步信号进行复位。累加操作是由FPGA中的累加器实现。模块的逻辑框图如图4所示。

图4 直方图统计结果进行累加处理逻辑框图

由直方图均衡算法可知，在进行直方图映射之前需要对累加直方图的结果进行乘法和除法运算。本方案中视频图像源格式为1024×768分辨率，每秒60帧频，像素级数位256级。要对直方图累加结果乘个256,再除1024×768。经过简化可以将累加结果向低位移10位再除以3,得到的结果便是直方图映射后的像素值，根据上述分析，直方图映射模块的实现如图5所示。

图5 直方图映射模块Figure.5 Histogram mapping module

如上所述，将YCbCr图像的Y分量进行直方图均衡时，同时将Cr、Cb分量进行阈值判别和非线性变换，非线性变换系数可以采用查找表方式预先存储在RAM中，容易实现实时变换。将均衡后的Y分量和Cb与Cr分量进行RGB变换后，最终得到增强后的彩色图像。

三、实现案列

该方案的具体实施方案是采用Altera的Arrial-II系列FPGA实现，这些模块都采用VHDL语言进行编写，通过ModelSim进行功能仿真和时序仿真，并最终下载到FPGA中进行在线验证。

本方案中具体是采用分辨率为1024×768的低照度彩色视频图像作为视频源，其帧频达到每秒60帧频，原始图像如图6(a)所示。经过本文的方法进行增强处理后的效果如图6(b)所示。该方法适合于低照度彩色视频图像的实时增强处理，并且能够满足时延小，高帧频的要求。

图6 实现案列

四、结论

我们提出的图像增强方法对于低照度的彩色图像增强效果明显，处理实时性高，并且图像从输入到输出处理延时只有微秒级别，非常适合高速实时处理场合的应用。该方案能够对低照度的彩色视频图像进行实时增强处理，扩展图像动态范围，提高对比度，同时能够实现高速高分辨率视频监控图像的增强，提高视频图像的可视效果。