基于FPGA的增强型图像采集处理系统的设计与实现

摘要

近年来，视频监控系统得到了快速的发展。但受限于环境光源，图像采集系统在照度较低的工作环境中采集图像时会出现画面质量降低、暗部细节难以识别的问题，而使用传统的全局直方图均衡算法在图像增强的过程中又会使图像中包含的环境高光信息被过度增强，导致画面信息丢失。 为了改善传统全局直方图均衡算法在增强过程中画面高光区域过度增强的问题，本论文对传统直方图均衡法进行了研究与改进，基于现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)设计了一套具有低照度图像增强功能的图像采集处理系统。本论文主要研究基于FPGA的增强型图像采集处理系统设计与实现。论文的主要研究内容和研究成果如下: (1)论文对日常监控环境进行了分析与研究，并以外部光源的分布情况将日常低照度监控环境分为面状光源、带状光源、点状光源三种光源环境。同时，结合光源环境的特点对传统直方图均衡法进行了改进，提出了高灰度级偏移与高灰度级保留的优化方案。这两种优化方案通过设置不同的阈值点与均衡区间对图像进行分段处理，在显著增强图像阴影区域细节的同时也能有效抑制高光区域被过度增强。 (2)论文对两种优化方案进行了对比分析。其中，使用高灰度级偏移方案增强后的图像，亮度与对比度比高灰度级保留方案高58％与91％。相较于传统全局直方图均衡法，高灰度级偏移方案可降低高光区域6％的亮度，在部分场景中可以使画面高光区域的梯度值提升19.3％、信息熵提升10.5％，使高光区域细节得到了大幅增加。但由于灰度级跳跃的原因，在点状光源场景中的光影过渡区域会产生严重的伪影。而高灰度级保留方案则在点状光源场景中有较好的增强效果。 (3)论文充分利用FPGA并行数据处理优势和丰富的IP(IntellectualProperty)资源，以双端口随机存储器RAM(RandomAccessMemory)及其控制电路为核心对改进后的图像增强算法进行了移植。所设计的图像增强模块使用图像传感器提供的48MHz时钟，处理单个像素数据耗时仅需104ns。而传统软件平台，单个像素处理耗时则为3.9μs。与原图比较，通过增强处理后的视频信息，画面亮度可以提升2.5倍、对比度提升15％、梯度信息提升60％以上。 (4)本论文还设计了图像传感器配置模块、图像捕捉模块、彩色转灰度模块、缓存控制模块、图像输出模块。完成了具有视频采集、图像增强、视频输出功能的图像采集处理系统。该系统以RAM中的灰度累计函数为线索自动识别环境光线照度，可以在不同照度环境下对视频信息实施不同的处理方案，确保具有最佳观感的视频信息输出。 在论文设计中，以VisualStudio与MATLAB软件平台进行算法仿真工作，并使用Modelsim对FPGA项目进行验证。最终结果表明，论文所设计的算法对日常监控场景下的低照度图像有较好的增强效果，并且可以明显抑制画面高光区域的过度增强;通过FPGA实现的图像增强模块具有处理快速的优点。所搭建的图像采集处理系统具有一定的实用价值。