摘  要： 設(shè)計(jì)了視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于TI公司高性能Davinci系列TMS320DM6437處理器的SEED-DEC6437 EVM板作為主要硬件平臺(tái)，在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3中采用C語言和匯編語言混合編程，對(duì)攝像頭采集的實(shí)時(shí)視頻圖像實(shí)現(xiàn)了圖像增強(qiáng)算法從軟件到硬件平臺(tái)的移植，同時(shí)使用主板上TMS320DM6437和TMS320C5402雙DSP芯片進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有算法簡單、性能穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： DSP；圖像增強(qiáng)；TMS320DM6437

     隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，圖像增強(qiáng)技術(shù)近年來得到飛躍的發(fā)展。由于圖像在成像、傳輸和轉(zhuǎn)換過程中受設(shè)備條件、傳輸信道和照明等客觀因素的限制，所獲得的圖像往往存在某種程度上的質(zhì)量下降。圖像增強(qiáng)就是通過對(duì)圖像的某些特征（如邊緣、輪廓和對(duì)比度等）進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化，同時(shí)減弱或去除不需要的信息，將原圖像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人眼觀察和計(jì)算機(jī)分析處理的形式。迄今為止，圖像增強(qiáng)技術(shù)己經(jīng)廣泛用于軍事、地質(zhì)、海洋、森林、醫(yī)學(xué)、遙感、微生物以及刑偵等領(lǐng)域。
     在數(shù)字圖像增強(qiáng)處理研究中，大部分圖像增強(qiáng)技術(shù)在PC純軟件下實(shí)現(xiàn)，難以達(dá)到實(shí)時(shí)圖像處理的速度要求。SEED-DTK6437數(shù)字媒體處理器是首批支持達(dá)芬奇技術(shù)的純DSP器件，其功能強(qiáng)大，接口和編程方便，穩(wěn)定性和可重復(fù)性好，對(duì)于環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場的干擾和影響較小，可靠性高。本系統(tǒng)在SEED-DTK6437平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)[1-3]。
1 視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)主要是在所搭建的SEED-DEC6437開發(fā)板、攝像頭和液晶顯示器等硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的增強(qiáng)處理，最后在彩色顯示器上實(shí)時(shí)輸出。同時(shí)加入了人機(jī)接口，可以通過按鍵功能進(jìn)行系統(tǒng)切換，選擇圖像增強(qiáng)算法，并且通過LCD液晶顯示信息，使整個(gè)系統(tǒng)操作性更強(qiáng)，更加人性化。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

     整個(gè)系統(tǒng)的流程為：前端設(shè)備CCD攝像頭獲取原始視頻圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器TVB5150將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成YUV格式的視頻圖像數(shù)據(jù)，然后圖像增強(qiáng)算法對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后把需要顯示的視頻圖像放到緩沖區(qū)進(jìn)行顯示。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理過程主要在于實(shí)現(xiàn)視頻圖像增強(qiáng)算法，其中主要包含中值濾波增強(qiáng)算法和直方圖增強(qiáng)算法。
    本系統(tǒng)人機(jī)交互模塊采用TMS320VC5402作為主控制器，同時(shí)外擴(kuò)有SRAM及Flash，擁有17按鍵薄膜鍵盤，配置LCD液晶顯示部件，可以顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。
2 基于SEED-DEC6437視頻采集回放
    在進(jìn)行視頻圖像增強(qiáng)之前，首先在SEED-DEC6437開發(fā)板上搭建視頻輸入輸出系統(tǒng)，主要包括視頻采集、圖像處理和顯示3個(gè)模塊。SEED-DEC6437開發(fā)板中，TMS320DM6437處理器中集成的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）包含視頻處理前端（VPFE）[4]和視頻處理后端（VPBE）[5]。視頻采集回放系統(tǒng)回路如圖2所示。

    統(tǒng)視頻輸入是利用解碼芯片TVP5150將模擬信號(hào)解碼成為YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號(hào)，再送入TMS320DM6437進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理。TVP5150是一款高性能的視頻解碼芯片，可以將PAL制式的視頻信號(hào)或NTSC制式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCbCr422格式的數(shù)字信號(hào)。
    視頻輸出是利用內(nèi)置的VPSS的視頻輸出編碼模塊（VENC）中4路10 bit的DAC輸出，實(shí)現(xiàn)CVBS與VGA的輸出。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要采用以composite復(fù)合信號(hào)的形式來進(jìn)行最終實(shí)時(shí)圖像的輸出顯示。
3 系統(tǒng)的視頻圖像增強(qiáng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的視頻圖像增強(qiáng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，從算法精度和復(fù)雜度等方面考慮，本系統(tǒng)主要采用增強(qiáng)算法中值濾波和直方圖均衡化，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)從場景中所采集的加有噪聲的視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，并且在顯示器上實(shí)時(shí)輸出增強(qiáng)后的視頻圖像[6-10]。視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的流程如圖3所示。

3.1中值濾波及結(jié)果分析
    本系統(tǒng)采用3×3型二維滑動(dòng)模板，將板內(nèi)像素按照像素值的大小進(jìn)行排序，生成單調(diào)上升（或下降）的二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為g（x，y）=med{f（x-k，y-l），（k，l∈W）}，其中，f（x，y）、g（x，y）分別為原始圖像和處理后圖像，W為二維模板。圖4給出了本系統(tǒng)中值濾波處理前后的對(duì)比效果，可以看出中值濾波對(duì)椒鹽噪聲很有用。

3.2.2 多峰直方圖均衡化
    為了能夠增強(qiáng)直方圖均衡處理的有效性和自適應(yīng)性，本系統(tǒng)根據(jù)直方圖分布中的波谷將直方圖分成幾個(gè)部分，這時(shí)采用抑制最大頻數(shù)和波谷分割相結(jié)合的技術(shù)將圖像分層處理，即選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值限制圖像中的高頻數(shù)，同時(shí)利用波谷將圖像進(jìn)行分層處理。
采用多峰直方圖均衡化處理的基本步驟如下：
    （1）對(duì)給定的待處理圖像統(tǒng)計(jì)其直方圖分布并求出各灰度級(jí)的概率值pr′（r）；
  

其中，rc代表每層的最小灰度值，如第1層的rc=0；rs代表每層的最大灰度值，并且后一層初始值等于緊挨著的前一層的灰度最大值，即第2層的最小灰度值為第1層的最大灰度值。
    （4）確定映射對(duì)應(yīng)關(guān)系，用新灰度代替舊灰度，求出ps′（s）。
3.2.3直方圖均衡化結(jié)果及分析
    圖6顯示了本系統(tǒng)的多峰直方圖均衡化和一般直方圖均衡化的效果對(duì)比。其中圖6（a）顯示的是在光線較暗的情況下原視頻圖像，可以看出圖6（b）和圖6（c）比圖6（a）的對(duì)比度明顯提高，可見直方圖均衡化可以提高圖像對(duì)比度，達(dá)到增強(qiáng)效果。但是圖6（b）所示的一般直方圖均衡化使原圖像亮度明顯增加，失去了圖像原始信息，而圖6（c）所示的多峰直方圖均衡化不僅提高了圖像對(duì)比度，達(dá)到增強(qiáng)效果，而且沒有過度增強(qiáng)，與實(shí)際原圖像信息接近，效果更加真實(shí)。由此可得，多峰直方圖均衡化彌補(bǔ)了一般直方圖均衡化的缺點(diǎn)，既提高了對(duì)比度又能保持圖像的原始信息，增強(qiáng)效果較好。

3.3 整體系統(tǒng)結(jié)果及分析
    整體系統(tǒng)分為中值濾波模式、直方圖均衡化模式和整體混合模式3大功能模式，它們可通過按鍵實(shí)現(xiàn)人工選擇和切換。
    整體混合模式即中值濾波和多峰直方圖均衡化結(jié)合處理，效果如圖7所示。圖7（a）顯示的是一般灰度圖像加入噪聲后的效果，顯然，圖像中引入了很多隨機(jī)的亮點(diǎn)。圖7（b）是經(jīng)過中值濾波后的圖像，顯然，圖像中的噪聲點(diǎn)被基本濾除，但是圖像的清晰度和分辨度不是很高。圖7（c）是進(jìn)一步加入多峰直方圖均衡算法處理后的圖像，可以明顯看出圖像的對(duì)比效果有了增強(qiáng)。

    以上分析從人的肉眼角度進(jìn)行主觀定性分析，具有不確定性，為此，本系統(tǒng)通過DSP高速運(yùn)算計(jì)算峰值信噪比（PSNR）進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表1所示，并且在CCS3.3上打印出來，以便觀察分析。從表1可知，中值濾波和多峰直方圖均衡化結(jié)合處理的PSNR值基本上大于原噪聲圖像PSNR值，而理論上PSNR比值越大，說明增強(qiáng)處理效果好，由此可得，本系統(tǒng)的整體混合模式中多峰直方圖均衡化主要用于對(duì)比度拉伸，與中值濾波相結(jié)合后，既可以去除噪聲，又達(dá)到了增強(qiáng)的效果。

     本文以SEED-DEC6437開發(fā)板為核心硬件，成功搭建了一個(gè)視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，首先在DSP/BIOS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了視頻采集驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而成功地在SEED-DEC6437開發(fā)板上搭建了視頻輸入輸出系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。其次，本系統(tǒng)采用中值濾波模式、直方圖均衡化模式和整體混合模式進(jìn)行選擇切換，從而使得本系統(tǒng)可以根據(jù)不同的場景進(jìn)行不同的視頻圖像增強(qiáng)，適應(yīng)性好。最后，為了增強(qiáng)本系統(tǒng)的靈活可控性，加入了人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。
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