视频图像亮度与色度瞬态增强的算法研究及硬件实现

摘要

数字视频后处理技术包括图像格式转换与图像增强两个部分,它是在数字业务多样性基础上提出来的数字处理技术。图像格式转换可以将多种视频输入信号统一转换为适合数字电视输出的信号。图像增强可以实现画质增强,提高图像的观赏效果。图像增强主要包括亮度瞬态增强、色度瞬态增强、亮度峰化、伽马校正、肤色校正等。其中,图像亮度瞬态增强和图像色度瞬态增强是图像增强的主要研究对象,对画质增强有着重要作用。
　　图像增强的基本原理都是增强某些有用信息抑制部分无用信息,使人眼观看图像时更加清晰。在图像传递过程中,由于中、高频分量的损失及孔阑效应的影响,会使亮度、色度信号在传送后有一定的延迟并且造成图像细节模糊、轮廓不清,同时传送接收端对所传送图像实现变频接收,也会造成图像模糊不清。尤其在色度瞬态增强处理中,由于色度信号采用亚采样技术采样,采样率在水平方向上只是亮度信号的一半,受带宽限制,亮度信号的边沿比色度信号的边沿更加陡峭。相比于亮度信号,色度信号的延迟性更加突出。亮度、色度瞬态增强的基本原理就是减小图像亮度、色度过渡带。常见的亮度、色度瞬态增强算法包括:叠加勾边法与移位法。
　　传统型亮度、色度瞬态增强算法虽然可以实现亮度、色度瞬态增强,但是图像处理后会出现非预期的模糊点和冲点,实现效果差。本文提出了一种改进型的亮度、色度瞬态增强算法,将图像滤波去除高斯噪声,利用九抽头滤波器求得初始勾边信号,同时加入高频判断防止在亮度或色度变化过快处处理信号,根据亮度或色度值大小生成实时增益信号,最后过冲处理去除冲点。
　　本文在改进型亮度、色度瞬态增强算法的基础上详细阐述了硬件实现方法。介绍了各个模块的功能与实现方法,通过 Verilog HDL硬件描述语言设计,并利用 Moldesim仿真工具对所有模块及整个系统进行仿真。仿真结束后使用 QuartusⅡ可编程开发软件对整个设计进行综合,利用 DE2-70 FPGA开发板将结果输出到显示器上观测显示效果。结果证明,此设计完全符合预期要求,实现效果比传统型算法好,达到了画质亮度、色度的瞬态增强。

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1 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 研发价值

1.3 国内外研究状况

1.4 课题研究的主要内容

1.5 本文的章节安排

1.6 本章小结

2 视频基础知识介绍

2.1 彩色三要素

2.2 人眼结构

2.3 视觉灵度

2.4 视觉辨别力

2.5 颜色空间

2.6 VGA 时序

2.7 本章小结

3 基本原理及现有算法介绍

3.1 亮度、色度的边沿特性

3.2 叠加勾边法

3.3 移位法

3.4 现有算法介绍

3.5 本章小结

4 改进型亮度、色度瞬态增强算法

4.1 滤波器滤除噪声

4.2 高频判断

4.3 生成初始勾边信号

4.4 核化降噪

4.5 生成实时增益

4.6 生成窗口

4.7 生成新信号

4.8 过冲处理

4.9 本章小结

5 改进型亮度、色度瞬态增强算法的硬件实现

5.1 APB 总线模块

5.2 RGB2YUV 模块

5.3 高斯噪声滤波模块

5.4 高频判断模块

5.5 生成初始勾边信号模块

5.6 核化降噪模块

5.7 生成实时增益模块

5.8 生成窗口模块

5.9 生成新亮度信号模块

5.10 过冲处理模块

5.11 YUV2RGB 模块

5.12 本章小结

6 改进型亮度、色度瞬态增强算法的验证

6.1 验证的基础知识介绍

6.2 功能仿真

6.3 本章小结

7 FPGA 验证

7.1 FPGA 简介

7.2 FPGA 验证流程框图

7.3 本章小结

8 总结

参考文献

致谢

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