基于fpga的视频图像处理技术

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1、2015年暑期实践报告——基于FPGA的视频图像处理技术1课题背景人类接收的信息中约有70%来自视觉，周围景物在人眼视网膜上的映射是人类最有效、最重要的信息交流方式。视频具有确切、直观、具体生动、真实和高效的特点。随着计算机软硬件技术和电子技术的飞速发展，视频图像技术也得到了迅速的发展。视频图像在商业、工业、军用以及民用领域内得到了广泛的应用，例如，监控系统、电视会议、多媒体通信、数字娱乐、可视电话等。在视频应用系统的各个环节中，如采集、传送、转换和显示等，不可避免的造成图像质量的下降。例如，在摄影时由于外界环境的影响如光照过强或不足，将会使图像过亮或过暗；光学系统由于电子设备等各

2、种原因产生的失真、大气的流动等将会使图像变得模糊；信道的传输以及系统的硬件将会引入不同种类的噪声等。这些问题不仅影响我们的视觉效果，而且对后续的处理带来了麻烦，如视频图像的存储、传输、跟踪与识别等。因此图像处理技术相应产生了，对图像进行相应的处理和加工来满足人们的视觉要求和后续的应用需求。由于视频图像处理技术要求对图像进行实时的数据采集、压缩处理、可靠传输和显示，整个过程对实时性的要求提到了一个很高的水平。再者，视频图像往往数据量很大，对其进行处理会占用很多系统资源，如果处理器处理能力差会对图像的实时性传输造成很大影响，并且也会影响图像的质量。为此，整个系统对处理器运算能力和数据的

3、实时性优先考虑。当前，DSP(数字信号处理器)或者FPGA(现场可编程门阵列)常作为视频图像处理的核心处理单元。但是由于DSP本身的一些特性，使其不宜在此视频图像处理上得到广泛应用。这包括DSP的指令执行采用速度相对较慢的串行通信形式，并且相对固定化的运算操作模块很难完全满足如此全面的需求。因此在设计时选取了运行速度更快、设计更加灵活的FPGA控制芯片。除此之外FPGA还具有开发周期相对较短，系统维护和扩展容易，对信号实时处理能力强，这些特征都可显著提高视频图像数据处理的速度，满足对系统实时性的要求。所以，设计中优先选择了FPGA芯片作为系统的核心处理芯片。在机载座舱中，由于使用环

4、境的特殊性和复杂性，机载任务处理机给出的视频图像信号在最终输出显示前，需要进行一定的处理，以满足飞行员在不同环境下的观察需要，同时机载显示器对画面显示的实时性有着较高的要求。基于FPGA硬件平台的图像处理方式不仅能够获得良好的处理效果，而且处理速度也远高于软件处理方法。故该课题研究在机载座舱环境中有着较高的实用价值。2课题安排1)7.15-7.21查阅文献资料，了解图像增强、视频缩放方面的国内外进展；2)7.22-7.31设计相关图像增强、视频缩放算法，采用MATLAB仿真实现算法，并分析算法的优缺点；3)8.10-8.19对算法进行FPGA硬件移植，调试；4)8.20-8.21总

5、结，完成实践报告。3课题拟采用算法3.1图像增强图像增强是图像处理技术中一个重要的分支，同时也是一个重要的环节，在图像处理和加工的过程中起到了相当重要的作用。图像增强，即提高对图像中目标识别能力的技术，其目的在于提高图像的可辨识度或是将图像转换成更适合计算机辅助处理的形式。彩色图像增强技术是在灰度图像增强技术的基础上慢慢发展而来，有必要学习灰度图像增强的基本方法。图像增强方法分为两大类：空域处理和频域处理。下面主要讨论图像空域增强的方法，这类方法以直接处理图像像素为基础，即直接根据图像的空间信息(像素位置与像素值)进行图像增强。由于不存在图像增强的通用理论，因此，在面向不同的对象时

6、，需选择性的使用合适的技术来处理，使增强后的图像比原始图像更适合于特定的应用。能否对图像进行实时处理是评定一个图像处理系统好坏的首要条件。由于复杂的滤波器在对实际问题进行解决时运算速度慢，实时性差，所以通常情况下不采用复杂的滤波器。本课题的研究内容主要是采用FPGA处理器来硬件实现对图像的增强算法。其中表现出的优越性完全弥补使用PC机实现某种算法耗时严重的缺点。采用FPGA处理器来硬件实现对图像的增强算法在提高处理器的工作速度，改善系统的实时性方面，具有一定的理论和实用价值。3.1.1直方图修正(非线性处理)直方图在空间域处理中有着举足轻重的地位，是空域图像处理的基础。直方图修正能

7、有效地用于图像增强中。直方图表示为不同灰度级像素个数的条形图。若将一幅图像的灰度级看成是一个随机变量，直方图则反映了图像中每个灰度级出现的概率，即随机变量概率分布的一个近似。1、直方图的计算对于灰度级范围为[[0,L-1]的图像，rk是第k阶灰度级，nk是第k阶灰度级的像素个数，直方图离散函数为h(rk)=nk，其中k=0,1,2,...,L-1。通常，用图像的像素总数n来除每个对应的h(rk)得到归一化的直方图p(rk)=nk/n，即灰度级为rk发生的概率。该过程对