摘 要： 隨著視頻設(shè)備的高速發(fā)展，數(shù)字視頻相關(guān)應(yīng)用同樣發(fā)展迅速，如監(jiān)控設(shè)備、行車(chē)記錄儀以及手機(jī)等電子產(chǎn)品。而如今數(shù)字視頻圖像增強(qiáng)的算法層出不窮，由于算法的復(fù)雜程度比較高，很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性這一基本的要求。討論了基于Retinex模型的處理圖像像素以及拉伸尺度可配置的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵模塊進(jìn)行實(shí)踐以及仿真，最后將其通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)（Virtex-5），系統(tǒng)時(shí)鐘125 MHz，可以滿(mǎn)足30 f/s的(2 000×2 048)像素的圖像。

0 引言

視頻增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，例如醫(yī)療電子、工業(yè)控制、消費(fèi)電子以及深空探測(cè)。Retinex理論是由Edwin Land在1971年提出。基于Retinex模型的使用較為廣泛的有單尺度Retinex算法(Single Scale Retinex，SSR)、多尺度Retinex算法(Multi Scale Retinex，MSR)、帶有顏色校正的多尺度Retinex算法(Multi Scale Retinex with Color Restoration，MSRCR)，基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃惴ㄈ缁谵q分框架的Retinex算法，但是這種算法的復(fù)雜度過(guò)高會(huì)消耗過(guò)多硬件資源，還不能在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用。而單尺度或多尺度Retinex算法對(duì)圖像增強(qiáng)效果同樣顯著，多尺度Retinex算法的主要硬件結(jié)構(gòu)就是單尺度Retinex算法硬件電路的重構(gòu)。本文旨在視頻增強(qiáng)算法硬件關(guān)鍵技術(shù)的研究，所以采取單尺度Retinex算法，然而對(duì)于這樣的算法用CPU也不能滿(mǎn)足其視頻處理過(guò)程中實(shí)時(shí)性的要求，本文采用125 MHz頻率FPGA，可以滿(mǎn)足30 f/s的(2 000×2 048)像素的圖像。

本文主要討論了基于Retinex的關(guān)鍵算法，基于圖像像素可配置以及拉伸尺度可配置。提出針對(duì)可適應(yīng)不同像素視頻的硬件架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)和仿真，通過(guò)Virtex-5型號(hào)FPGA實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)，最后評(píng)估算法的處理效果。

1 基于Retinex模型的視頻增強(qiáng)算法

圖1為視頻增強(qiáng)Retinex算法流程圖。視頻中的幀圖像通過(guò)RGB將HSV轉(zhuǎn)化成灰度幀圖像V，色度幀圖像S，飽和度幀圖像H。估計(jì)照度幀圖像，適當(dāng)拉伸處理后得到光照分量V2以及反分量像V3。經(jīng)過(guò)拉伸處理以及合成處理后的圖像O即為處理完成的一幀圖像。

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1.1 RGB轉(zhuǎn)HSV

由于RGB色彩空間圖像直接處理會(huì)產(chǎn)生色彩失真，因此需要轉(zhuǎn)換色彩空間。

1.2 提取光照?qǐng)D像和反色圖像

原幀圖像I(x，y)能夠被分解成兩部分[2]。一部分是光照幀圖像L(x，y)，另一部分為反射幀圖像R(x，y)，如式（1）所示。

本文采用高斯濾波器進(jìn)行光照估計(jì)，將高頻成分(圖像的細(xì)節(jié)部分和噪聲部分)濾掉。

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1.3 反射幀分量處理方法及光照分量的處理

反射分量可以通過(guò)sigmoid函數(shù)進(jìn)行非線(xiàn)性拉伸。以此可以很好地抑制噪聲同時(shí)放大有用的細(xì)節(jié)成分。

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1.4 HSV圖像到RGB圖像轉(zhuǎn)換

RGB色彩空間是一種由紅綠藍(lán)三種色彩組成，用于顯示器顯示，所以將HSV圖像轉(zhuǎn)換為RGB圖像。

2 視頻增強(qiáng)硬件邏輯架構(gòu)

自適應(yīng)視頻增強(qiáng)VLSI架構(gòu)如圖2所示，圖2中框內(nèi)為FPGA實(shí)現(xiàn)部分，框外的部分由MATLAB實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)由decoder模塊對(duì)內(nèi)部配置寄存器進(jìn)行配置，主要任務(wù)是配置處理圖像像素。SRAM_interface是SRAM連接外部圖像數(shù)據(jù)流的緩沖，SRAM內(nèi)部分配兩個(gè)存儲(chǔ)空間用來(lái)對(duì)視頻數(shù)據(jù)乒乓操作。濾波器采用的是改進(jìn)型的二維濾波器。本濾波器可以適應(yīng)不同像素圖片濾波較高的處理速度。由濾波器估計(jì)光照?qǐng)D像同時(shí)由于對(duì)數(shù)運(yùn)算和減法的復(fù)雜程度相對(duì)較高，并且使得亮度較高像素失真，本文采用較高精度除法器得到反射圖像。同時(shí)通過(guò)兩個(gè)拉伸函數(shù)處理經(jīng)過(guò)乘法器得到增強(qiáng)后的圖像，經(jīng)由HVSRGB還原成RGB圖像。

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2.1 改進(jìn)后的濾波器模塊

本文基于文獻(xiàn)[3][4]提出了一個(gè)可配置處理像素大小和具有較好的時(shí)序特征的二維濾波器。架構(gòu)如圖3所示。本文的濾波器分為3部分，第一部分的作用是將兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)合并成一個(gè)16位的數(shù)據(jù)，并依次寫(xiě)入不同F(xiàn)IFO。第二部分是可配置的FIFO，通過(guò)配置內(nèi)部寄存器來(lái)配置FIFO的深度，給不同行的濾波器窗寫(xiě)數(shù)據(jù)。第三部分為濾波器窗口，將16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位寫(xiě)到濾波器窗兩個(gè)像素點(diǎn)，下一個(gè)周期將這兩個(gè)像素點(diǎn)移位到后面兩個(gè)像素點(diǎn)。通過(guò)濾波系數(shù)每個(gè)周期得到新的處理后的像素點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)不僅節(jié)約資源，而且可以配置處理視頻圖像像素點(diǎn)多少，處理過(guò)程中的時(shí)鐘頻率是一半的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，更好地滿(mǎn)足時(shí)序要求。