王金波，劉 斌，郝 亮，任珂珂

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

為解決可見(jiàn)光圖像數(shù)據(jù)量大、處理速度要求高的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于可編程門(mén)陣列(FPGA)的圖像處理及自動(dòng)調(diào)控電路。該電路完成可見(jiàn)光圖像的直方圖均衡、中值濾波、十字叉疊加、自動(dòng)調(diào)焦等圖像處理及調(diào)控功能。通過(guò)以上措施，能夠顯著提高可見(jiàn)光圖像的質(zhì)量，并且由于采用高速FPGA作為圖像處理芯片，整個(gè)電路精度高，實(shí)時(shí)性好。

2 圖像處理及鏡頭自動(dòng)調(diào)控電路原理

基于FPGA的圖像處理及鏡頭自動(dòng)調(diào)控電路原理框圖如圖1所示。

圖1 圖像處理及鏡頭自動(dòng)調(diào)控電路原理圖

A/D芯片采用Philips公司的SAA7113，完成可見(jiàn)光模擬圖像到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換;FPGA芯片采用Altera公司 CycloneIII系列的 EP3C25F256I7，該芯片完成包含直方圖均衡、中值濾波、疊加十字叉、圖像清晰度計(jì)算等在內(nèi)的數(shù)字圖像處理功能;視頻解碼芯片采用Philips公司的SAA7121;MCU選用的是Silicon公司的C8051F021芯片，完成與上位機(jī)的通信、對(duì)SAA7113和SAA7121的配置，與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互，以及對(duì)可見(jiàn)光鏡頭的控制。

圖像處理部分主要由FPGA完成，自動(dòng)調(diào)控部分由FPGA和MCU共同完成。MCU通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)可見(jiàn)光鏡頭內(nèi)的調(diào)焦和變倍電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)焦距和視場(chǎng)的調(diào)節(jié)功能。

下面簡(jiǎn)要介紹快速自動(dòng)調(diào)焦的基本流程:根據(jù)FPGA計(jì)算得出的圖像清晰度參量，MCU可控制可見(jiàn)光鏡頭焦面位置不斷變化，直至圖像清晰度參量最大，完成可見(jiàn)光圖像的自動(dòng)調(diào)焦。為提高自動(dòng)調(diào)焦的速度，本文采用了如下措施:①采用“區(qū)域極值法”，減少尋焦行程，其流程如圖2所示;②將圖像按場(chǎng)進(jìn)行處理，相對(duì)于按幀處理縮短了清晰度參量計(jì)算時(shí)間。通過(guò)以上措施，可顯著提高自動(dòng)調(diào)焦的速度。

圖2 “區(qū)域極值法”流程

3 圖像處理算法及VHDL實(shí)現(xiàn)

采用若干個(gè)VHDL模塊共同完成所需功能。下面分別介紹各部分功能。

3．1 直方圖均衡

直方圖均衡的基本方法是擴(kuò)展在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)，縮減像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)，使轉(zhuǎn)換后的圖像的直方圖分布更加均勻［1］。這不僅能夠改善圖像的質(zhì)量，提高圖像的清晰度，而且經(jīng)過(guò)直方圖均衡后的圖像更有利于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

直方圖均衡的一般方法如公式(1)所示:

式中，ri為灰度級(jí)且滿(mǎn)足歸一化條件;k為灰度級(jí)數(shù)，第i個(gè)灰度級(jí)ri出現(xiàn)的頻數(shù)用ni表示;n為幀內(nèi)像素總數(shù)。

VHDL實(shí)現(xiàn)過(guò)程:在FPGA內(nèi)部開(kāi)辟一個(gè)256×24 bit的存儲(chǔ)器RAM1和一個(gè)256×8 bit的存儲(chǔ)器RAM2。RAM1存儲(chǔ)每場(chǎng)圖像的每個(gè)灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)，由公式(1)可以計(jì)算出灰度映射表，并存儲(chǔ)到RAM2。輸出圖像的每個(gè)像素通過(guò)查找RAM2，輸出新灰度，整場(chǎng)圖像完成直方圖均衡處理。

3．2 中值濾波

中值濾波的一般方法是用一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的窗口在圖像上滑動(dòng)，用該窗口中所有灰度值的中值來(lái)代替窗口中心像素點(diǎn)的灰度值［2－3］。二維中值濾波可由公式(2)表示:

VHDL實(shí)現(xiàn)過(guò)程:本文中取i=j=3，做9個(gè)點(diǎn)的中值濾波。在FPGA內(nèi)部開(kāi)辟兩個(gè)720×8 bit的FIFO，緩存兩行圖像數(shù)據(jù)，與當(dāng)前輸入行的圖像數(shù)據(jù)并行輸出，可以得到三行圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)三級(jí)D觸發(fā)器就可以得到3×3像素矩陣，以每個(gè)矩陣窗口的9個(gè)灰度值的中值代替矩陣中心點(diǎn)的灰度值，即可完成中值濾波，整個(gè)過(guò)程如圖3所示。

3．3 疊加十字叉

在可見(jiàn)光圖像上疊加十字叉有助于定位目標(biāo)在圖像中的位置，由此可盡量避免可見(jiàn)光圖像視場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)目標(biāo)丟失的情況發(fā)生，更有利于實(shí)施視頻監(jiān)控。

首先計(jì)算疊加點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)的灰度級(jí)平均值，然后將該平均值與某一閾值作比較，若小于閾值則將該點(diǎn)設(shè)置為高灰度級(jí)，反之則將該點(diǎn)設(shè)置為低灰度級(jí)，即疊加與其背景灰度級(jí)對(duì)比強(qiáng)烈的十字叉以助于觀察。閾值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取。

3．4 圖像清晰度計(jì)算

“清晰度法自動(dòng)調(diào)焦”通過(guò)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)可見(jiàn)光鏡頭不同焦面位置成像的清晰度進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用“正確對(duì)焦使圖像最清晰”這個(gè)特征找到正確對(duì)焦位置。

本文選用Tenengrad函數(shù)來(lái)表征圖像清晰度［4－5］。Tenengrad 函數(shù)利用 Sobel算子來(lái)估計(jì)圖像在水平方向和垂直方向的梯度，其表達(dá)式如公式(3)～式(5):

式中，Gx(x，y)，Gy(x，y)分別為水平和垂直方向的計(jì)算模板;分別是可見(jiàn)光圖像矩陣與Sobel算子的卷積，Sobel算子在X，Y方向各有一個(gè):

ν是一個(gè)閾值，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取。

由于該方法計(jì)算量較大，本文將公式簡(jiǎn)化為公式(6):

該公式可以極大地減少計(jì)算量，提高圖像處理速度，且計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足圖像清晰度要求。

VHDL實(shí)現(xiàn)過(guò)程:與中值濾波模塊類(lèi)似，首先由串行視頻流生成3×3矩陣，再使用圖像矩陣分別與Sx和Sy算子卷積并取絕對(duì)值，把絕對(duì)值相加，得到一個(gè)像素的邊緣信息，對(duì)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行計(jì)算并做累加，就可以得到整場(chǎng)圖像的清晰度參量。將此參量實(shí)時(shí)傳遞給自動(dòng)調(diào)控電路，自動(dòng)調(diào)控電路以此為依據(jù)控制焦面位置不斷變化，直至聚焦參數(shù)最大，可得聚焦清晰的圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

圖4、圖5、圖6分別為直方圖均衡、疊加十字叉、自動(dòng)調(diào)焦前后的圖像對(duì)比效果，由于圖像在進(jìn)行中值濾波前后效果對(duì)比不夠明顯，在此不作對(duì)比。

圖4 直方圖均衡前后圖像對(duì)比

圖5 疊加十字叉前后圖像對(duì)比

圖6 自動(dòng)調(diào)焦前后圖像對(duì)比

本文設(shè)計(jì)的可見(jiàn)光圖像處理及自動(dòng)調(diào)控電路滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、低功耗及小型化的工作要求。

(1)實(shí)時(shí)性。本文設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)直方圖均衡、中值濾波和疊加十字叉等功能所導(dǎo)致的圖像延時(shí)均小于0．2 ms，自動(dòng)調(diào)焦可在3 s內(nèi)完成。

(2)低功耗。在本文電路設(shè)計(jì)中，采用的器件均為低功耗器件;并且在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉部分芯片，進(jìn)入節(jié)電模式。

(3)小型化。本文電路均采用集成性較高的器件，這樣大大減少了整個(gè)電路所使用的器件數(shù)目;同時(shí)封裝均為貼片式，因此電路具有小型化、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

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