基于DSP和FPGA的嵌入式实时图像增强系统

Embedded Color Image Enhancement System Based on DSP and FPGAWANG J ing-xuan .YIN Chuan～li(1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China，E-mail：wangJz###ciomp.ac.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract：In order to get clearer and more qualitative image，an embedded high speed imageenhancement processing system on high performance DSP TMS320C6455 and FPGA was de-signed，and a new fast color image enhancement algorithm is presented. First，the colorimage is transformed from RGB to HIS.Then multi-scale retinex algorithm is adopted in thebrightness image.Finally the color image is transformed from RGB to HIS. Experimentalresults with real images show that the system can improve the contrast of the fog-degradedimage，effectively enhance the color image and shorten the running time of the program ，which can meet the proj ect。

Key words：color image enhancement；multi-scale retinex algorithm；contrast；adaptive scale士 丘目前的航 空侦察平 台大多采 用 电视摄 像系统，具有信息量大、分辨率高的优点，但是同时它又极易受到气候因素的影响。云雾是影响电视图像清晰度的主要 因素，在有雾天气下，系统捕获的图像对比度较差，严重影响效能的发挥。如何从降质图像中去除天气 因素的影响，恢复图像 的对比度 ，是 目前急需解决的问题 。

目前，图像增强方法是广泛采用的比较有效收稿 日期：2012-12-31；修订 日期 ：2013-02-19基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项 目(No.2008AA121803)作者简介：王静轩(1981-)，女，吉林长春人，硕士研究生，主要从事图像处理方面的研究。

通信联系人，E-mail：yinchuanli- 1979###163.corng 46O 液 晶 与 显 示 第 28卷的手段 ，该方法不需要准确 的天气和景深信息 ，即可对单幅降质 图像 实现清晰化处理 ，满足主观视觉要求 j。

近几年 ，Retinex算法 成为 图像增 强处理 领域的研究热点[5。]，其基本思想是依据人感知到某点的光照并不仅撒于该点的绝对光照值，还取决于其周 围的光照值 。Retinex增强算法能够改善图像颜色恒常性 ，压缩图像动态范围，提高对 比度，有效地增强淹没在阴影区域中的细节。Kim-mel提 出了单尺度 Retinex算法8]，首先从原始图像中估计出光照图像，然后在对数域中从原图中减去光照得到增强后 的图像 ，但是固定尺度难以对不同图像均取得理想效果。Funt通过高 、中、低三个 尺 度 的合 并 来 实 现 多 尺 度 Retinex增强 ]，通过选择不同尺度 的尺度参数对 图像进行滤波增强，既可很好完成图像的动态范围压缩 ，又可保证 图像 的色感-致 性，取得 了很 好 的增 强效果。

为了使彩色图像增强系统得到更为广泛的应用 ]，本文设计 了-种嵌入式 高速 图像处理平广- - - 1字ccE!视频 ：摄像机L .ICameIa Link转换TTL信号DS90CF286接口逻辑与时序控制FPGACyclonell EP3cl 4台 ，并在此基础上提 出了-种快速彩色 图像增强算法 ，在该平台上采集实际图像验证 了算法的有效性 。

2 嵌入式图像处理平台设计在工程中，基于嵌入式平台的数字图像处理系统能够得 到更 广泛 的应用 ]。本文设计 了- 种嵌入式数字图像处理系统方案 ，原理框图如图 1所示 。

首先 ，数字相机输出的 Camera lank标准 的图像数据经过 DS9OCF286转换为 TTI 标准的图像信号 ，在 FPGA 的控制下存储 到 DRRAM 中。

然后 ，数字信号处理器 DSP、存储器 RAM 以及程序存储 FI ASH 配合 ，实现数字图像处理功能，并将处理结果存储到 DRRAM 中。最后 ，在 FPGA的控 制 下 ，将 DRRAM 处 理 后 的 图像 导 出，由DS90CF285将 TTL 标 准 的 图像 信 号 转 换 为Camera I ink标准的图像数据输出。在此过程中，系统始终通过 RS442串行接 口、控制接 口和以太 网接 口与用户保持通讯。

DPRAMOUIDT70V28DPRAMIDT70V28I lT 。HSDRAM I FLASHMT48LC2M32II AM29LV400图像处理DSPTMS320VC6455图 1 嵌人式图像增强系统硬件原理框图Fig.1 Hardware schematic diagram of embedded enhancement system该系统核心处理 芯片为 TMS320C6455，它是 TI公司近几年推出的-款高性能定点 DSP。

它基于第三代先进 VeloviTI Vuw(超长指令字)结构开发 出来 的新产 品，可 以广泛应用于通信、图像处理、无线传输等领域。TMS320C6455主频达到了 1 GHz，1 ns的指令周期。每周期执行 8条 32位 指 令 ，最 大峰 值 速 度 达 到 8 000MIPS。片 内基 于 C64xx内核 的 L1/I 2存储 结构，集成了大量的存储空间。其中，I 1程序空间为 32K字节 ，I 1数 据空 间为 32K 字 节 ，1.2为2M 字节 ，并可以直接映射到存储空间。

接 口 逻 辑 和 时 序 控 制 核 心 芯 片 为EP3C14Q240C，它是 Altera公司的 CyeloneIII系列 中 性 价 比 较 高 的 可 编 程 逻 辑 器 件 。

EP3C14Q240C8器件提供了 15 408个逻辑单元(I E)、516 096总 RAM Bits、160可用 I/O，并具有-整套最佳的功能 ，包括嵌入式 18 bit×18 bit乘法器 、专用外部存储器接 口电路 、嵌入式存储器1 J～传 块 --频 模 --视 输 -r ； .-第 3期 王静轩 ，等 ：基于 DSP和 FPGA 的嵌入式 实时图像增 强系统 461块 、锁相环(PI I )和高速差分 I/O能力 。

3 快速 Retinex彩色图像增强算法Land首先提 出了 Retinex作为人 眼感知亮度和色度的视觉模型，其定义理想的图像 fCr，)为：厂(.2C，Y)- r(z，Y)× i(z， )其中，i( ， )为环境亮度 函数 ，r(x， )为物体反射函数。环 境亮度 函数描 述周 围环境 的亮度 ，与物体无关 ；而物体反射函数是指物体反射能力，与照明无关，反映物体的本质属性 。基于这种模 型，可以得到环境亮度 函数是-种变化缓慢的图像低频信息；而反射函数则包含图像的大部分高频细节信息。

利用对数变换将乘积关系转换为求 和关 系，单尺度的 Retinex算法可用下面的表达式描述 ：R(z， )- logI(x， )-logEF(x， )I(x， )]其 中 (z，.y)表示像素点在图像 中的坐标，R(z， )是输 出的图像 函数 ，I(x， )式输入 图像分 布函数，代表卷积操作，F(x，.y)被称为环境函数。

对于环境函数 的选择可 以有很 多种 ，-般选用高斯函数作为环境函数：F(x， )- Kexp(- (z Y。)/a。)其 中， 为高斯函数的标准偏差 ，并且满足 ：，y)dxd通常 ，单尺度 Retinex算法很难在 动态范围压缩和色感-致性之 间寻找平衡点 ，很难达到理想 的效果。

多尺度 Retinex算法既能很好地完成 图像的动态范围压缩，又能保证图像的色感-致性的图像增强方法。

该算法可用下式描述：R( ， )- W logI(x， )-logEF ( ， )I(x， )]其 中，k表示尺度参数的个数 ， ( ， )表示第 k个尺度参数对应 的高斯函数 ，w 表示与第 是个尺度参数构成 的高斯函数相关的权重 。

本文根据实际工程的需要 ，首先将彩 色图像从 RGB空间转化为 HIS空间 ，然后对亮度空 间进行多尺度 Retinex增强处理 ，再进行对 比度调节处理并转化到 RGB空间进行输出。

算法具体实现步骤如下 ：(1)将彩色 图像 S(i，J)从 RGB转化为 HSI模式，并将其像素点亮度值分别转换为 double型，提高计算精度。

(2)对于亮度通道图像 ，求取对数 ：S (i，J)logS(/，J)(3)设定-定大小的高斯模板 F(x， )，对图像中的每-个像素高斯加权 ，得到新 的图像 G(x，)，G(x， )-S(x， )F(z， )，其中F(z， )-KlogS(x， )-logEF(x， )S(x， )])。

(5)计算图像中原像素点与高斯加权后的像素点在对数域 中的明暗关系，V ( ， )- G，( ， )-S ( ，J)。

(6)通过 V (i， )对 R(i， )中的每-个像素点亮度值进行校正，R ( ， )-R(i，J)-V ( ， )。

(7)进行对 比度调节 ，公式如下 ：Roo，( )- 255×，max - /m in其中，R (i， )和 R (i，J)分别 为图像坐标(i，J)的输入灰度值和输出灰度值 ，r 和 分别为修正后图像的最大灰度值和最幸度值 。

(8)将处理后 的 H 分量和原来的 S1分量-起转化 回到 RGB模式。

4 实验结果与分析为了验证本文设计的嵌入式图像增强系统的有效性，从楼上对有雾的图像嘲进行实时处理，图 2(a)为原 图像 ，图 2(b)、(c)分别为直方图均衡化算法、单尺度 Retinex算法增强结果 ，图 2(d)为本文算法增强的图像 。

从图中可以看出，本文算法 明显优于直方 图均衡化算法。与单尺度 Retinex算法相 比，本文算法利用不同的尺度 ，在压缩动态范 围时具有足够的锐化，因此图像显得更加清晰。同时，本文算法计算时间小于 40 ms，能够满足工程中对实时性的要求 。

第 3期 王静轩，等：基于 DSP和 FPGA的嵌入式实时图像增强系统 463[1o]关澈，王延杰.CCD相机实时自动调光系统 [J].光学 精密工程，2008，2(16)：358-366。

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