一種實時低照度彩色圖像增強方法及其實現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實時低照度彩色圖像增強方法包括以下步驟：一、將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間；二、對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖統(tǒng)計，并進行直方圖均衡處理；三、分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換；四、對經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間，最后獲得到經(jīng)過增強處理的彩色圖像。本發(fā)明還提供了一種實時低照度彩色圖像增強方法的裝置，所有處理過程都是在FPGA中實現(xiàn)。本發(fā)明能夠?qū)Φ驼斩鹊牟噬曨l圖像進行實時增強處理，擴展圖像動態(tài)范圍，提高對比度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)高速高分辨率視頻監(jiān)控圖像的增強，提高視頻圖像的可視效果。
【專利說明】一種實時低照度彩色圖像增強方法及其實現(xiàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及實時視頻圖像處理技術(shù)，特別涉及一種視頻圖像增強處理技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]視頻圖像增強處理技術(shù)一直是圖像處理領(lǐng)域一類非常重要的基本處理技術(shù)。圖像增強處理技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到航空航天、軍事偵察、醫(yī)學(xué)診斷、衛(wèi)星圖片的處理等領(lǐng)域。如惡劣天氣下飛機的視景增強系統(tǒng)，需要采用圖像增強處理方法克服因光線不足、沙塵、煙霧等原因帶來的圖像模糊，從而為飛行器提供可視化導(dǎo)航。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在光線不足的環(huán)境下容易導(dǎo)致視頻模糊，圖像不清晰，通過圖像增強處理可以使視頻圖像質(zhì)量得到改善，產(chǎn)生更好的可視化效果。
[0003]直方圖均衡化以概率論為基礎(chǔ)，通過對圖像中像素點的灰度值變換以達到圖像增強的目的，其典型的算法有直方圖均衡算法(HE)、直方圖投影算法(HP)、平臺直方圖均衡法(PE)。直方圖均衡算法是一種非線性拉伸法，先求出原始圖像的直方圖，再用灰度級的累計概率分布作為變換系數(shù)，乘以轉(zhuǎn)換后圖像的總的灰度級數(shù)得到圖像灰度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種算法主要是針對出現(xiàn)概率較大的目標像素，將灰度分布集中的像素擴展到更寬的灰度級上，同時壓縮數(shù)量少的像素，增強圖像的對比度，從而達到增強圖像的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的處理實時性不足問題，本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種實時低照度彩色圖像增強方法，對低照度的彩色視頻圖像進行實時增強處理，擴展圖像動態(tài)范圍，提高對比度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)高速高分辨率視頻監(jiān)控圖像的增強，提高視頻圖像的可視效果。
[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]一種實時低照度彩色圖像增強方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一:將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間，變換關(guān)系如下式所示:
[0008]Y = 0.257*R+0.564*G+0.098*B+16
[0009]Cb = -0.148*R-0.291*G+0.439*B+128
[0010]Cr = 0.439*R-0.368*G_0.071祁+128 ；
[0011]步驟二、對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖均衡處理；
[0012]步驟三、分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換；
[0013]步驟四、對上述經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間，最后獲得到經(jīng)過增強處理的彩色圖像。
[0014]依據(jù)上述特征，所述直方圖均衡處理的方法為:
[0015]a)、直方圖統(tǒng)計:對每個像素值出現(xiàn)的次數(shù)進行統(tǒng)計；
[0016]b)、直方圖累加:對直方圖統(tǒng)計結(jié)果進行累加求和；
[0017]C)、直方圖映射:對直方圖累加的結(jié)果進行位移和除法，得到直方圖映射后的像素值。
[0018]依據(jù)上述特征，Cb, Cr閾值由預(yù)先對正常圖像進行統(tǒng)計確定。
[0019]依據(jù)上述特征，所述非線性變換的變換系數(shù)采用查找表方式預(yù)先存儲在存儲器中。
[0020]本發(fā)明的另一目的在于提供一種實時低照度彩色圖像增強裝置，采用FPGA芯片，包括RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊、直方圖均衡模塊、非線性變換模塊和YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊；
[0021 ] 所述RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊用于將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間；
[0022]所述直方圖均衡模塊用于對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖均衡處理；
[0023]所述非線性變換模塊分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換；
[0024]所述YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊用于將經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間。
[0025]依據(jù)上述特征所述直方圖均衡模塊包括直方圖統(tǒng)計模塊、直方圖累加模塊、直方圖映射模塊，所述直方圖統(tǒng)計模塊采用FPGA中的雙端口 RAM作為直方圖統(tǒng)計結(jié)果的暫存單元，像素值作為輸入地址，像素時鐘作為寫入時鐘，雙口 RAM輸出端口連接加I計數(shù)器實現(xiàn)直方圖統(tǒng)計；
[0026]所述直方圖累加模塊采用FPGA的累加器對直方圖統(tǒng)計結(jié)果進行累加求和，并將累計結(jié)果作為均衡化處理的依據(jù)，累加器的輸入輸出端口各采用一個雙口 RAM進行緩存，累加結(jié)束后用場同步信號進行復(fù)位；
[0027]所述直方圖映射模塊采用FPGA的移位寄存器和除法器進行直方圖映射操作，并將直方圖映射的結(jié)果暫存在另一個雙口 RAM中，并將需要均衡處理的圖像像素值作為雙口RAM的讀出地址，讀出的數(shù)據(jù)為均衡處理后的像素值。
[0028]本發(fā)明所述的圖像增強方法對于低照度的彩色圖像增強效果明顯，處理實時性高，并且圖像從輸入到輸出處理延時只有微秒級別，非常適合高速實時處理場合的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明一種實時低照度彩色圖像增強方法的處理流程圖；
[0030]圖2是本發(fā)明一種實時低照度彩色圖像增強裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明中直方圖統(tǒng)計模塊邏輯功能框圖；
[0032]圖4是本發(fā)明中直方圖累加模塊邏輯功能框圖；
[0033]圖5是本發(fā)明中直方圖映射模塊邏輯功能框圖；
[0034]圖6A是本發(fā)明實施例中的原始圖像；
[0035]圖6B是實施例中經(jīng)過圖像增強后的增強圖像。

【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明一種低照度彩色圖像實時增強方法，其處理流程如圖1所示。圖中所有步驟都在FPGA中實現(xiàn)，其中包括RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊、直方圖均衡模塊、非線性變換模塊和YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊。所述RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊用于將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間。所述直方圖均衡模塊用于對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖均衡處理。所述非線性變換模塊分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換。所述YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊用于將經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間。
[0037]本發(fā)明的具體實施方案是采用Altera的Arrial-1I系列FPGA實現(xiàn)，這些模塊都采用VHDL語言進行編寫，通過ModelSim進行功能仿真和時序仿真，并最終下載到FPGA中進行在線驗證。
[0038]由于直方圖均衡算法時間復(fù)雜度相對較高，為了滿足高速實時視頻處理(每秒60幀)的要求，本發(fā)明在對傳統(tǒng)的直方圖均衡方法進行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于FPGA的快速直方圖均衡方法，其處理框圖如圖2所示。由處理框圖可知，直方圖均衡處理包括3個子模塊:(1).直方圖統(tǒng)計模塊(2).直方圖累加模塊(3).直方圖映射模塊。下面分別介紹3個模塊的具體設(shè)計實施。
[0039]直方圖統(tǒng)計要求對每個像素值出現(xiàn)的次數(shù)進行統(tǒng)計，因此可以設(shè)計一個256X18bit的雙端口 RAM作為直方圖寄存單元。將輸入的像素值作為雙端口 RAM的寫入地址，每次對相同的像素出現(xiàn)的次數(shù)進行加1，所以要在每次寫RAM之前首先將RAM中的暫存的數(shù)據(jù)讀出，并進行加I處理，然后再寫入到RAM中。其實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中另外一個雙端口 RAM2是用來保存直方圖最后統(tǒng)計結(jié)果的寄存器。
[0040]當直方圖統(tǒng)計結(jié)束后，需要對直方圖統(tǒng)計結(jié)果進行累加求和。并將累計結(jié)果作為均衡化處理的依據(jù)，所以需要將每次累加的和保存在另外一個雙端口 RAM中。累加的過程是從上面直方圖統(tǒng)計模塊的雙端口 RAM2中，依次讀出每個數(shù)據(jù)，并進行累加，累加結(jié)果同時存入雙端口 RAM3中。累加操作是在場消隱期進行，所以每次累加結(jié)束后要用場同步信號進行復(fù)位。累加操作是由FPGA中的累加器實現(xiàn)。模塊的邏輯框圖如圖4所示。
[0041 ] 由直方圖均衡算法可知，在進行直方圖映射之前需要對累加直方圖的結(jié)果進行乘法和除法運算。本方案中視頻圖像源格式為1024X768分辨率，每秒60幀頻，像素級數(shù)位256級。要對直方圖累加結(jié)果乘個256，再除1024X768。經(jīng)過簡化可以將累加結(jié)果向低位移10位再除以3，得到的結(jié)果便是直方圖映射后的像素值，根據(jù)上述分析，直方圖映射模塊的實現(xiàn)如圖5所示。
[0042]如上所述，將YCbCr圖像的Y分量進行直方圖均衡時，同時將Cr、Cb分量進行閾值判別和非線性變換，非線性變換系數(shù)可以采用查找表方式預(yù)先存儲在RAM中，容易實現(xiàn)實時變換。將均衡后的Y分量和Cb與Cr分量進行RGB變換后，最終得到增強后的彩色圖像。本方案中具體是采用分辨率為1024X768的低照度彩色視頻圖像作為視頻源，其幀頻達到每秒60幀頻，原始圖像如圖6A所示。經(jīng)過本發(fā)明的方法進行增強處理后的效果如圖6B所示。該方法適合于低照度彩色視頻圖像的實時增強處理，并且能夠滿足時延小，高幀頻的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種實時低照度彩色圖像增強方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間； 步驟二、對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖均衡處理； 步驟三、分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換； 步驟四、對經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間，最后獲得到經(jīng)過增強處理的彩色圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時低照度彩色圖像增強方法，其特征在于所述直方圖均衡處理的方法為: a)、直方圖統(tǒng)計:對每個像素值出現(xiàn)的次數(shù)進行統(tǒng)計； b)、直方圖累加:對直方圖統(tǒng)計結(jié)果進行累加求和； c)、直方圖映射:對直方圖累加的結(jié)果進行位移和除法，得到直方圖映射后的像素值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時低照度彩色圖像增強方法，其特征在于Cb、Cr閾值由預(yù)先對正常圖像進行統(tǒng)計確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實時低照度彩色圖像增強方法，其特征在于所述非線性變換的變換系數(shù)采用查找表方式預(yù)先存儲在存儲器中。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1到4所述的任一一種實時低照度彩色圖像增強方法的實時低照度彩色圖像增強裝置，采用FPGA芯片，包括RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊、直方圖均衡模塊、非線性變換模塊和YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊； 所述RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊用于將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換至YCbCr色彩空間； 所述直方圖均衡模塊用于對YCbCr色彩空間的Y分量進行直方圖均衡處理； 所述非線性變換模塊分別對Cb、Cr彩色分量進行閾值判別，對于不在設(shè)定閾值范圍的分量進行非線性變換； 所述YCbCr轉(zhuǎn)RGB模塊用于將經(jīng)過處理后的YCbCr色彩分量進行反變換至RGB色彩空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實時低照度彩色圖像增強裝置，其特征在于所述直方圖均衡模塊包括直方圖統(tǒng)計模塊、直方圖累加模塊、直方圖映射模塊， 所述直方圖統(tǒng)計模塊采用FPGA中的雙端口 RAM作為直方圖統(tǒng)計結(jié)果的暫存單元，像素值作為輸入地址，像素時鐘作為寫入時鐘，雙口 RAM輸出端口連接加I計數(shù)器實現(xiàn)直方圖統(tǒng)計； 所述直方圖累加模塊采用FPGA的累加器對直方圖統(tǒng)計結(jié)果進行累加求和，并將累計結(jié)果作為均衡化處理的依據(jù)，累加器的輸入輸出端口各采用一個雙口 RAM進行緩存，累加結(jié)束后用場同步信號進行復(fù)位； 所述直方圖映射模塊采用FPGA的移位寄存器和除法器進行直方圖映射操作，并將直方圖映射的結(jié)果暫存在另一個雙口 RAM中，并將需要均衡處理的圖像像素值作為雙口 RAM的讀出地址，讀出的數(shù)據(jù)為均衡處理后的像素值。
【文檔編號】G06T5/40GK104200447SQ201410477722
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】周偉, 楊愛良, 劉軍江, 陸伊 申請人:中國航空無線電電子研究所