一种彩色图像的fpga实时增强系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像增强技术领域，具体地是一种彩色图像的FPGA实时增强系统。
【背景技术】
[0002]目前，图像增强主要是将图像转换为更适合人眼观察或者机器分析、识别的形式，改善图像的质量和视觉效果，以便获得更清楚、明晰的富含大量有用信息的可使用图像，图像增强技术在军事、遥感生物、公共安全、医学工程等方面发挥着重要作用，图像增强技术在对于灰度图像的处理得到了普遍的应用。
但是随着近年来彩色图像的广泛运用，对彩色图像的增强技术有了明显需求。由于彩色图像的R、G、B分量相互不独立，对于彩色图像直接增强，会造成图像增强后颜色失真。而HSV空间更能反映人的视觉特性，将彩色图像转换成HSV空间，在该空间中对图像进行增强算法的处理，处理后图像效果明显优于直接对彩色图像增强。对于灰度图像的增强，常用的方法有直方图均衡化，但是运用该方法对于航拍图像进行增强，容易造成图像的纹理不清晰，细节信息也不能够最大化的显现。对图像进行分段拉伸也是一种常见算法，但是分段拉伸算法的关键点在于分段点的选择，分段点的选择稍有不慎便影响了整幅图像的增强效果。
[0003]在图像增强的硬件实现上，最初是用DSP实现，但是DSP在对数据接收和处理的过程中存在着延时，很难达到实时性要求。后来发展为DSP+FPGA这种架构，这种系统运算速度比较高，具有较强的灵活性和通用性，但是成本也较高，同时DSP和FPGA之间通信也比较复杂。
【发明内容】
[0004]本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种彩色图像的FPGA实时增强系统，本发明具有集成度高、图像处理速度快和实时性强的特点。
[0005]为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0006]本发明一种彩色图像的FPGA实时增强系统，其中包括相机控制模块、直方图统计模块、VGA控制模块、灰度拉伸算法模块、PLL控制时钟模块；其结构要点是:Cameralink接口模块与相机控制模块相连接，所述相机控制模块同时与RGB转换为HVS模块和直方图统计模块相连接，所述直方图统计模块分别接RAMl和RAM2，RAM2再与灰度拉伸算法模块相连接，RGB转换为HVS模块也与灰度拉伸算法模块相连接，所述灰度拉伸算法模块的输出拉伸数据传送给HVS转换为RGB模块；其中VGA控制模块与VGA显示模块相连接。
[0007]作为本发明的一种优选方案，所述相机控制模块米用LVDS信号传输数据,FPGA发出的CM0S/TLL控制信号经由Cameralink接口器件转换成LVDS信号，接收端配套器件进行解调，将4路LVDS数据流转换为24位图像数据和4位同步信号。
[0008]作为本发明的另一种优选方案，所述直方图统计模块采用双口 RAM作为储存器来储存直方图统计结果；双口 RAM的地址宽度设置为8bit ;在第一个时钟根据Vdatain的值，读出RAMl中相应地址的值rdata，在第二个时钟把接收来的灰度值作为直方图统计的地址，将读出的值rdata加1，写入RAM1，RAM2的该地址中；此后反复这个过程，完成一帧图像的直方图统计。
[0009]进一步地，本发明所述RAM2是只对直方图双端口 RAM进行单端口写操作，另一个端口留给最优窗口确定进行异步读操作用，这样做避免了对直方图双端口 RAM的读端口复用。
[0010]本发明的有益效果是。
[0011]本发明采用采用基于插值的分段拉伸算法。首先将彩色RGB图像转换为HSV空间，在该空间，对图像直方图进行基于差值的分段拉伸处理，以达到对图像增强的目的；经过该方法增强后的图像，细节信息更加丰富，图像的清晰度得到改善，图像的视觉质量也得到明显提高；经过该算法增强后图像的灰度平均梯度值为直方图均衡化算法的1.95倍；应用现场可编程门阵列(FPGA)为中央处理器，通过并行处理结构及流水线技术，完成图像空间的转换和图像的实时增强算法，简化了系统设计，使处理系统硬件更加紧凑，运行更加可靠。
[0012]本发明给出了主要功能模块的实现方法，经现场调试，可完成每秒30帧X 1024X 1024X24bit数据的处理，与直方图均衡化等传统图像增强算法相比，该算法计算时间缩短了 0.807ms。本发明系统具有集成度高、图像处理速度快和实时性强等特点。
【附图说明】
[0013]图1是本发明一种彩色图像的FPGA实时增强系统结构框图。
【具体实施方式】
[0014]对于图像的增强，本发明提出了一种基于插值的线性拉伸算法，根据插值函数对每个像素点进行灰度变换。其在增强图像对比度的同时也会很好地保留图像细节，经过该算法增强后图像的灰度平均梯度值为直方图均衡化算法的1.95倍。本发明方法处理后的图像，细节丰富，灰度动态范围宽，该算法很大程度上改善图像了的清晰度和视觉质量。
[0015]如图1所示，为本发明一种彩色图像的FPGA实时增强系统结构框图。图中包括相机控制模块、直方图统计模块、VGA控制模块、灰度拉伸算法模块、PLL控制时钟模块；首先Cameral ink接口模块与相机控制模块相连接，所述相机控制模块同时与RGB转换为HVS模块和直方图统计模块相连接，所述直方图统计模块分别接RAMl和RAM2，RAM2再与灰度拉伸算法模块相连接，RGB转换为HVS模块也与灰度拉伸算法模块相连接，所述灰度拉伸算法模块的输出拉伸数据传送给HVS转换为RGB模块；其中VGA控制模块与VGA显示模块相连接。
[0016]所述相机控制模块采用LVDS信号传输数据，FPGA发出的CM0S/TLL控制信号经由Cameral ink接口器件转换成LVDS信号，接收端配套器件进行解调，将4路LVDS数据流转换为24位图像数据和4位同步信号。
[0017]所述直方图统计模块采用双口 RAM作为储存器来储存直方图统计结果；双口RAM的地址宽度设置为8bit ;在第一个时钟根据Vdatain的值，读出RAMl中相应地址的值rdata,在第二个时钟把接收来的灰度值作为直方图统计的地址，将读出的值rdata加1，写入RAM1，RAM2的该地址中；此后反复这个过程，完成一帧图像的直方图统计。
[0018]所述控制时钟PLL模块:在一个像素时钟要完成双口 RAM的读，并将读出结果加I后写回RAM，所以将直方图统计的控制时钟设为像素时钟的2倍，即PLL 二倍频。本发明所述RAM2是只对直方图双端口 RAM进行单端口写操作，另一个端口留给最优窗口确定进行异步读操作用，这样做避免了对直方图双端口 RAM的读端口复用。
[0019]对于实时的彩色图像增强处理具有数据量大、传输速度快的特点，用FPGA作为整个算法的中央处理器，通过相应的图像处理模块，完成彩色图像空间和灰度空间的相互转换以及灰度图像的实时增强算法，并利用软件实现直方图统计和拉伸算法的并行执行，与直方图变换等传统图像增强算法相比，该算法计算时间缩短了 0.807ms。该系统具有集成度高、图像处理速度快和实时性强等特点。该算法的实现具有实时性，能够达到预期目标，基本可以实现工程应用。
【主权项】
1.一种彩色图像的FPGA实时增强系统，其中包括相机控制模块、直方图统计模块、VGA控制模块、灰度拉伸算法模块、PLL控制时钟模块；其特征在于=Cameralink接口模块与相机控制模块相连接，所述相机控制模块同时与RGB转换为HVS模块和直方图统计模块相连接，所述直方图统计模块分别接RAMl和RAM2，RAM2再与灰度拉伸算法模块相连接，RGB转换为HVS模块也与灰度拉伸算法模块相连接，所述灰度拉伸算法模块的输出拉伸数据传送给HVS转换为RGB模块；其中VGA控制模块与VGA显示模块相连接。2.根据权利要求1所述的一种彩色图像的FPGA实时增强系统，其特征在于:所述相机控制模块采用LVDS信号传输数据，FPGA发出的CMOS/TTL控制信号经由Cameralink接口器件转换成LVDS信号，接收端配套器件进行解调，将4路LVDS数据流转换为24位图像数据和4位同步信号。3.根据权利要求1所述的一种彩色图像的FPGA实时增强系统，其特征在于:所述直方图统计模块采用双口 RAM作为储存器来储存直方图统计结果。4.根据权利要求3所述的一种彩色图像的FPGA实时增强系统，其特征在于:所述双口RAM地址宽度设置为8bit。
【专利摘要】一种彩色图像的FPGA实时增强系统。本发明具有集成度高、图像处理速度快和实时性强等特点；使处理系统硬件更加紧凑，运行更加可靠。其中包括相机控制模块、直方图统计模块、VGA控制模块、灰度拉伸算法模块、PLL控制时钟模块；其结构要点是：Cameralink接口模块与相机控制模块相连接,所述相机控制模块同时与RGB转换为HVS模块和直方图统计模块相连接，所述直方图统计模块分别接RAM1和RAM2，RAM2再与灰度拉伸算法模块相连接，RGB转换为HVS模块也与灰度拉伸算法模块相连接，所述灰度拉伸算法模块的输出拉伸数据传送给HVS转换为RGB模块；其中VGA控制模块与VGA显示模块相连接。
【IPC分类】G06T5/00, G06T5/40
【公开号】CN105513016
【申请号】CN201410496852
【发明人】何志杰
【申请人】何志杰
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2014年9月25日