基于FPGA的高分辨率图像DCT域增强

来源:用户上传      作者:

　　摘 要:为了提高高分辨率图像的质量,实现快速的图像增强算法,提出在离散余弦变换(DCT)的对比度测度下,通过DCT矩阵中不同频率的系数关系对DCT系数块进行分类,对不同类型的系数块做不同强度的自适应增强算法,并在FPGA上得到实现。提出的方法在不影响原始图像压缩性能的情况下有效地增强了图像明亮或黑暗区域的细节,同时减少了因图像增强而带来的压缩图像块效应。给出算法原理及在FPGA上的具体实现方法,并给出了实验结果。结果表明,该算法在改善图像主、客观质量方面和运算效率上都能够达到较好的效果。
　　关键词:图像增强;DCT;FPGA;块效应
　　中图分类号:TP751.1文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)04-052-03
　　
　　High Resolution Image Enhancement in DCT Domain Based on FPGA
　　TANG Yao1,2,CAO Jianzhong1,LIU Bo3
　　(1.Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi′an,710119,China;
　　2.Graduate University,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China;
　　3.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190,China)
　　Abstract:For improving the quality of high resolution image and realizing the image enhancement algorithm,an image enhancement algorithms is proposed.It enhances the image adaptive based on a contrast measure defined within the Discrete Cosine Transform (DCT) domain.An improved classified method is proposed to classify the DCT matrix in the image and the image is adaptive enhanced by using different weight in different type DCT matrix.The algorithm is implemented on FPGA.It enhances the details in the dark and bright areas of image and gets rid of blocking artifacts.The algorithm uses low computations without affecting the compressibility of the original image,and the experiment on FPGA results show the satisfactory visual effect for computer and human vision.
　　Keywords:image enhancement;DCT;FPGA;block effect
　　
　　0 引 言
　　
　　高分辨率数码图像内容丰富,细节多变,但在拍摄过程中常受到气候、环境和大气衰减等影响。为了改善图像的视觉效果,利于后续图像处理,提高图像的清晰度,必须对图像进行增强处理。图像增强算法从衡量的标准上可以被分为直接对比度增强型和间接对比度增强型。对于直接对比度增强算法,关键是要建立一种适合图像特性的对比度测度。DCT域的对比度测度被定义为DCT矩阵子带中高频成份与低频成份的比率。测度还具有类似于人类视觉系统的多尺度形式。
　　另一方面,高分辨率图像具有数据量大的特点。在飞行过程中,为了保证拍摄区域一定的图像重叠率,就需要在较短的时间内处理大量的图像数据。为了提高存储和传输的效率,常需要对图像进行压缩。JPEG[1](Joint Photographic Expert Group)是一种基于DCT变换的有损压缩算法。与原始图像相比,JPEG压缩图像的影像质量在多数情况下都是可以接受的[2]。本文中的图像压缩处理器采用FPGA,实现了JPEG基线压缩算法。
　　对于基于FPGA硬件实现复杂图像的高速增强处理,采用运算复杂或是单一不变的处理方式都难以适应要求。所以在基于DCT域对比度测度图像增强算法[3]的基础上,本文采用改进自适应图像增强算法,通过对DCT系数进行计算分类,直接对DCT系数进行操作,对不同类型的DCT矩阵进行不同强度的自适应增强。
　　基于压缩域实现图像的增强,首先,不会影响图像压缩的性能;其次,不需要对图像进行其他的变换与反变换,降低了算法的复杂度;最后,量化后的DCT系数矩阵中存在很多零值,相对降低了硬件实现时的运算量和存储需求。在不影响原始图像压缩性能的情况下,能有效增强图像明亮或黑暗区域的细节,同时降低因图像增强而带来压缩图像的块效应。
　　这里的图像增强方法具有较好的效果和较低的复杂度,适合于硬件的实现。在研究改进传统图像增强算法的基础上,在FPGA上实现了可直接嵌入JPEG压缩流程的自适应图像增强处理器。下面对算法的FPGA实现进行了详细的介绍。
　　
　　1 图像增强原理
　　
　　1.1 图像增强原理
　　为了压缩图像的动态范围,增强图像局部对比度,可采用对DCT变换矩阵中系数进行处理的方法。DCT变换可表示为:
　　dk,l=c(k)c(l)4∑7i=0∑7j=0xi,jcos[(2i+1)kπ/16]•
　　cos[(2j+1)lπ/16](1)
　　式中:k,l=0,1,2,…,7,且:
　　c(k)=1/2,if k=0
　　1,otherwise(2)
　　对于DCT变换矩阵,如下式所示:
　　D=d00d01d02d03d04d05d06d07d08
　　d10d11d12d13d14d15d16d17d18
　　d20d21d22d23d24d25d26d27d28
　　d30d31d32d33d34d35d36d37d38
　　d40d41d42d43d44d45d46d47d48
　　d50d51d52d53d54d55d56d57d58
　　d60d61d62d63d64d65d66d67d68
　　d70d71d72d73d74d75d76d77d78
　　式中:左上角的d0,0代表DC系数,实质上是图像中每个8×8块值的平均,可以看作是照度分量;矩阵中越向右下方的分量越代表递增水平和垂直的空间频率分量。这种空间频率特性为在DCT域定义对比度测度提供了一种途径。已知人类视觉分辨依赖于高频成分与低频成分之比。因此,局部对比度测度可以被定义为DCT矩阵频带中高频分量与低频分量之比。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-8721503.htm