基于FPGA的采集卡的圖像增強算法應用研究

　　0 引言

　　圖像在采集過程中不可避免地會受到傳感器靈敏度、噪聲干擾以及模數轉化時量化問題等因素影響而導致圖像無法達到人眼的視覺效果，為了實現人眼觀察或者機器自動分析的目的，對原始圖像所做的改善行為，就被稱作圖像增強技術。因此圖像增強技術雖然是改善圖像質量的通用方法，但是它也同樣帶有針對性，它必須是針對某一特定的需要而采用的特定的算法來實現圖像質量的改善。

　　圖像增強技術根據各種不同目的而產生了多種算法，根據處理空間的不同把這些算法分為基于空間域的圖像增強算法和基于變換域的圖像增強算法。基于空間域的圖像增強算法又可以分為空域的變換增強算法、空域的濾波增強算法以及空域的彩色增強算法;基于變換域的圖像增強算法可以分為頻率域平滑增強算法、頻率域的銳化增強算法以及頻域彩色增強算法。

　　本論文采用的是空間域圖像增強算法，主要利用一定的圖像灰度值映射準則來調整圖像灰度的動態范圍，從而實現圖像的增強。

　　1 圖像采集卡總體結構

　　如圖1所示，整個采集卡可分成3個子模塊，主要有PCI總線部分、FPGA系統部分和外圍接口部分。PCI總線部分的主要功能是完成PC機和PCI本地總線上設備的通信，包括PCI總線的通信，本地總線上的總線仲裁、數據傳輸、中斷、中斷握手以及PCI9054 芯片的配置功能。

　　FPGA 系統部分主要實現的是一個FPGA 最小系統。作為PCI9054 本地總線上的設備，FPGA 需要完成和PCI9054本地總線接口之間的通信。同樣FPGA也需要具有上電自動配置的功能。外圍接口部分主要與FPGA 通信。雖然通過FPGA 產生了各種控制信號，但這些信號在被轉換之后才能用于實際的控制。外圍接口部分的主要任務就是進行電平轉換，以達到實際應用的要求。

　　2 圖像增強算法實現

　　2.1 圖像增強算法設計

　　在此，采用基于點操作的增強方法，也稱為灰度變換。采用直接灰度變換方法實現增強原圖各部分的反差。實際中往往采用增加原圖里某兩個灰度值間的動態范圍來實現。在本設計中，采用圖2所示的直接灰度變換的方法，橫坐標表示原圖像的灰度值，縱坐標表示變換后的灰度值，實線為本論文中討論的增強對比度變換曲線。虛線表示不做任何變換的曲線圖。

　　可以看出把原圖中的0~ r1 和r2 ~ 2n - 1 間的動態范圍明顯減小，而原圖中灰度值r1 ~ r2 之間的動態范圍增加了。其中n 為圖像位寬。這樣，分段線性變換的數學表達式如下：

　　簡化表達式，化簡如下：

　　式中參數k1 ，k2 ，k3 可能是一個小數，為了在FPGA 里面能夠進行計算，首先需要對這3個參數進行定點化處理。整個定點化的工作被嵌入到驅動程序中，用戶只需輸入接口數據r1 ，r2 ，s1 和s2 ，驅動程序生成定點化結果k1 ，k2 ，k3 和移位的位數bit1 ，bit2 ，bit3 送入FP-GA.本論文采用定點化方法是，先將小數進行乘2操作(移位操作)，如果先到達整數或者大于512提前完成乘2操作，否則對其32次的乘2操作。