張陳梅，陳 芬，吳明昊，嚴(yán)迪群，彭宗舉

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，圖像增強(qiáng)技術(shù)近年來得到飛躍的發(fā)展。由于圖像在成像、傳輸和轉(zhuǎn)換過程中受設(shè)備條件、傳輸信道和照明等客觀因素的限制，所獲得的圖像往往存在某種程度上的質(zhì)量下降。圖像增強(qiáng)就是通過對(duì)圖像的某些特征（如邊緣、輪廓和對(duì)比度等）進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化，同時(shí)減弱或去除不需要的信息，將原圖像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人眼觀察和計(jì)算機(jī)分析處理的形式。迄今為止，圖像增強(qiáng)技術(shù)己經(jīng)廣泛用于軍事、地質(zhì)、海洋、森林、醫(yī)學(xué)、遙感、微生物以及刑偵等領(lǐng)域。

在數(shù)字圖像增強(qiáng)處理研究中，大部分圖像增強(qiáng)技術(shù)在PC純軟件下實(shí)現(xiàn)，難以達(dá)到實(shí)時(shí)圖像處理的速度要求。SEED-DTK6437數(shù)字媒體處理器是首批支持達(dá)芬奇技術(shù)的純DSP器件，其功能強(qiáng)大，接口和編程方便，穩(wěn)定性和可重復(fù)性好，對(duì)于環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)的干擾和影響較小，可靠性高。本系統(tǒng)在SEEDDTK6437平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)[1-3]。

1 視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)主要是在所搭建的SEED-DEC6437開發(fā)板、攝像頭和液晶顯示器等硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的增強(qiáng)處理，最后在彩色顯示器上實(shí)時(shí)輸出。同時(shí)加入了人機(jī)接口，可以通過按鍵功能進(jìn)行系統(tǒng)切換，選擇圖像增強(qiáng)算法，并且通過LCD液晶顯示信息，使整個(gè)系統(tǒng)操作性更強(qiáng)，更加人性化。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

整個(gè)系統(tǒng)的流程為：前端設(shè)備CCD攝像頭獲取原始視頻圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器TVB5150將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成YUV格式的視頻圖像數(shù)據(jù)，然后圖像增強(qiáng)算法對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后把需要顯示的視頻圖像放到緩沖區(qū)進(jìn)行顯示。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理過程主要在于實(shí)現(xiàn)視頻圖像增強(qiáng)算法，其中主要包含中值濾波增強(qiáng)算法和直方圖增強(qiáng)算法。

本系統(tǒng)人機(jī)交互模塊采用TMS320VC5402作為主控制器，同時(shí)外擴(kuò)有SRAM及Flash，擁有17按鍵薄膜鍵盤，配置LCD液晶顯示部件，可以顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

2 基于SEED-DEC6437視頻采集回放

在進(jìn)行視頻圖像增強(qiáng)之前，首先在SEED-DEC6437開發(fā)板上搭建視頻輸入輸出系統(tǒng)，主要包括視頻采集、圖像處理和顯示3個(gè)模塊。SEED-DEC6437開發(fā)板中，TMS320DM6437處理器中集成的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）包含視頻處理前端（VPFE）[4]和視頻處理后端（VPBE）[5]。視頻采集回放系統(tǒng)回路如圖2所示。

圖2 視頻圖像采集回放系統(tǒng)回路

系統(tǒng)視頻輸入是利用解碼芯片TVP5150將模擬信號(hào)解碼成為YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號(hào)，再送入TMS320DM6437進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理。TVP5150是一款高性能的視頻解碼芯片，可以將PAL制式的視頻信號(hào)或NTSC制式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCbCr422格式的數(shù)字信號(hào)。

視頻輸出是利用內(nèi)置的VPSS的視頻輸出編碼模塊（VENC）中 4路 10 bit的 DAC輸出，實(shí)現(xiàn) CVBS與 VGA的輸出。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要采用以composite復(fù)合信號(hào)的形式來進(jìn)行最終實(shí)時(shí)圖像的輸出顯示。

3 系統(tǒng)的視頻圖像增強(qiáng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的視頻圖像增強(qiáng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，從算法精度和復(fù)雜度等方面考慮，本系統(tǒng)主要采用增強(qiáng)算法中值濾波和直方圖均衡化，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)從場(chǎng)景中所采集的加有噪聲的視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，并且在顯示器上實(shí)時(shí)輸出增強(qiáng)后的視頻圖像[6-10]。視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的流程如圖3所示。

3.1 中值濾波及結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用3×3型二維滑動(dòng)模板，將板內(nèi)像素按照像素值的大小進(jìn)行排序，生成單調(diào)上升（或下降）的二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為 g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W）}，其中，f（x，y）、g（x，y）分別為原始圖像和處理后圖像，W為二維模板。圖4給出了本系統(tǒng)中值濾波處理前后的對(duì)比效果，可以看出中值濾波對(duì)椒鹽噪聲很有用。

圖3 本視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)整體流程圖

圖4 中值濾波增強(qiáng)處理前后對(duì)比圖

3.2 直方圖均衡化及結(jié)果分析

3.2.1 一般直方圖均衡化

直方圖均衡化的主要任務(wù)是將每個(gè)區(qū)間等概率分布代替原來的隨機(jī)分布，即增強(qiáng)后的圖像每個(gè)灰度級(jí)內(nèi)大致有相同個(gè)數(shù)的元素。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：首先求出原圖像的概率函數(shù)，其中，nk表示第 k級(jí)灰度值像素的總數(shù)，n表示總體圖像的像素值的個(gè)數(shù)。變換公式可以寫成：sk=T。 最后按照計(jì)算出來的映射關(guān)系，把原圖的原始灰度值映射到經(jīng)過均衡化的新灰度級(jí)上，從而實(shí)現(xiàn)圖像的增強(qiáng)。算法的具體流程如圖5所示。

圖5 一般直方圖均衡化流程圖

3.2.2 多峰直方圖均衡化

為了能夠增強(qiáng)直方圖均衡處理的有效性和自適應(yīng)性，本系統(tǒng)根據(jù)直方圖分布中的波谷將直方圖分成幾個(gè)部分，這時(shí)采用抑制最大頻數(shù)和波谷分割相結(jié)合的技術(shù)將圖像分層處理，即選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值限制圖像中的高頻數(shù)，同時(shí)利用波谷將圖像進(jìn)行分層處理。

采用多峰直方圖均衡化處理的基本步驟如下：

（1）對(duì)給定的待處理圖像統(tǒng)計(jì)其直方圖分布并求出各灰度級(jí)的概率值 pr′（r）；

（2）求出累積概率密度 C（rk）：

（3）依據(jù) C（rk）運(yùn)用變換函數(shù)進(jìn)行分層增強(qiáng)處理：

其中，rc代表每層的最小灰度值，如第1層的rc=0；rs代表每層的最大灰度值，并且后一層初始值等于緊挨著的前一層的灰度最大值，即第2層的最小灰度值為第1層的最大灰度值。

（4）確定映射對(duì)應(yīng)關(guān)系，用新灰度代替舊灰度，求出ps′（s）。

3.2.3 直方圖均衡化結(jié)果及分析

圖6顯示了本系統(tǒng)的多峰直方圖均衡化和一般直方圖均衡化的效果對(duì)比。其中圖6（a）顯示的是在光線較暗的情況下原視頻圖像，可以看出圖 6（b）和圖 6（c）比圖6（a）的對(duì)比度明顯提高，可見直方圖均衡化可以提高圖像對(duì)比度，達(dá)到增強(qiáng)效果。但是圖6（b）所示的一般直方圖均衡化使原圖像亮度明顯增加，失去了圖像原始信息，而圖6（c）所示的多峰直方圖均衡化不僅提高了圖像對(duì)比度，達(dá)到增強(qiáng)效果，而且沒有過度增強(qiáng)，與實(shí)際原圖像信息接近，效果更加真實(shí)。由此可得，多峰直方圖均衡化彌補(bǔ)了一般直方圖均衡化的缺點(diǎn)，既提高了對(duì)比度又能保持圖像的原始信息，增強(qiáng)效果較好。

圖6 多峰直方圖均衡化和一般直方圖均衡化對(duì)比圖

3.3 整體系統(tǒng)結(jié)果及分析

整體系統(tǒng)分為中值濾波模式、直方圖均衡化模式和整體混合模式3大功能模式，它們可通過按鍵實(shí)現(xiàn)人工選擇和切換。

整體混合模式即中值濾波和多峰直方圖均衡化結(jié)合處理，效果如圖 7所示。圖 7（a）顯示的是一般灰度圖像加入噪聲后的效果，顯然，圖像中引入了很多隨機(jī)的亮點(diǎn)。圖 7（b）是經(jīng)過中值濾波后的圖像，顯然，圖像中的噪聲點(diǎn)被基本濾除，但是圖像的清晰度和分辨度不是很高。圖7（c）是進(jìn)一步加入多峰直方圖均衡算法處理后的圖像，可以明顯看出圖像的對(duì)比效果有了增強(qiáng)。

圖7 整體混合模式效果圖

以上分析從人的肉眼角度進(jìn)行主觀定性分析，具有不確定性，為此，本系統(tǒng)通過DSP高速運(yùn)算計(jì)算峰值信噪比（PSNR）進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表 1所示，并且在CCS3.3上打印出來，以便觀察分析。從表1可知，中值濾波和多峰直方圖均衡化結(jié)合處理的PSNR值基本上大于原噪聲圖像PSNR值，而理論上PSNR比值越大，說明增強(qiáng)處理效果好，由此可得，本系統(tǒng)的整體混合模式中多峰直方圖均衡化主要用于對(duì)比度拉伸，與中值濾波相結(jié)合后，既可以去除噪聲，又達(dá)到了增強(qiáng)的效果。

表1 圖7整體混合模式峰值信噪比前后對(duì)比表

3.4 人機(jī)交互

本系統(tǒng)共使用了視頻任務(wù)和通信任務(wù)兩個(gè)任務(wù)模塊，而通信任務(wù)即實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。當(dāng)系統(tǒng)各模塊初始化以后，BIOS根據(jù)實(shí)現(xiàn)的配置自動(dòng)調(diào)度視頻任務(wù)和通信任務(wù)。視頻任務(wù)主要處理視頻圖像數(shù)據(jù)的采集以及算法的實(shí)現(xiàn)，通信任務(wù)主要調(diào)度通信函數(shù)根據(jù)按鍵的不同指令來選擇不同的算法以及控制液晶顯示和交通燈的狀態(tài)。人機(jī)交互效果圖如圖8所示。通過按鍵輸入數(shù)字，選擇系統(tǒng)的不同工作模式，這里使用0代表中值濾波模式，1代表直方圖均衡化模式，2代表整體混合模式。

圖8 人機(jī)交互效果圖

本文以SEED-DEC6437開發(fā)板為核心硬件，成功搭建了一個(gè)視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，首先在DSP/BIOS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了視頻采集驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而成功地在SEED-DEC6437開發(fā)板上搭建了視頻輸入輸出系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。其次，本系統(tǒng)采用中值濾波模式、直方圖均衡化模式和整體混合模式進(jìn)行選擇切換，從而使得本系統(tǒng)可以根據(jù)不同的場(chǎng)景進(jìn)行不同的視頻圖像增強(qiáng)，適應(yīng)性好。最后，為了增強(qiáng)本系統(tǒng)的靈活可控性，加入了人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

[1]彭啟琮.達(dá)芬奇技術(shù)——數(shù)字圖像/視頻信號(hào)處理新平臺(tái)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]MAINI R，AGGARWAL H.A comprehensive review of image enhancement techniques[J].Journal of computing，2010， 2（3）： 2151-9617.

[3]GOPINATHAN S，THANGAVEL P.A non linear technique for image enhancement based on discrete wavelet transform[J].European Journal of Scientific Research， 2012， 79 （3）：328-336.

[4]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM643x DMP video processing front end（VPFE）user′s guide[Z].2008.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM643x DMP Video processing back end（VPBE）user′s guide[Z].2008.

[6]鄒彥.DSP原理及運(yùn)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[7]龔昌來.基于小波變換和均值濾波的圖像去噪方法[J].光電工程，2007，37（1）：72-75.

[8]倪虹霞.基于小波變換和中值濾波的遙感圖像預(yù)處理[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

[9]王國(guó)權(quán)，仲偉波.灰度圖像增強(qiáng)算法的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004（12）：175-176.

[10]任艷斐.直方圖均衡化在圖像處理中的應(yīng)用[J].科技信息，2007（4）：37-38.