基于FPGA的高分辨率图像DCT域增强

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基于FPGA的高分辨率图像DCT域增强

唐矗1’2,曹剑中1,刘波3

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安 710119;2.中国科学院研究生院北京 100039;

3.中国科学院空间科学与应用研究中心北京 100190

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 I'K"I、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;IX;T;FPGA;块效应

中图分类号:TP751.1文献标识码:A 文章编号:1004—373X(201004—052—03

High Resolution Image Enhancement in DCT Domain Based on FPGA

7FANG Ya01~,CAO Jianzhon91,LIU 1303

(L 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;

Abstract:For improving the quality of high resolution image and realizing the image enhancement algorithm,an image en— hancement algorithms is proposed.It enhances the image adaptive based on a contrast measure defined within the Discrete Co— sine Transform(DCTdomain.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 computa— tions 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;IX:T;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 rlj

收稿日期:2009一09—23

基金项目:中科院“Ifli部博十资助基金”(0929361213

52 (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心]。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阳|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。

万方数据

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fr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FP一 (;人实现进行了洋细的介绍。 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:

“,=掣奎∑“严s[(2i+1k兀/16]. ‘

…0=0

cos[(2J+1z7c/16]

式中:是。l一0,l,2,…,7,且:

(.(惫:j1/√2,

if忌=0

lI,

otherwise

对于DCT变换矩阵,如下式所示:

i-d。,fl

d¨l dn2

d。l

d,】1I∥¨

d11d】2dI

d144∽ d2l d22

dz3(,2l D—

d¨胡延照

d31d10d d:d_j

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d 7¨

(,i1

d32

d33

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d34

d 42

d.I:d41d。?

d∞ djl “^。 √朝 d¨(,i?

“7l

式中:左上角的d。。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#i下方的分量越代表递增水平和垂直的空问频率分量。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

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与低频成分之比。囚此.局部对比度测度可以被定义为

ICT矩阵频带中高频分量与低频分量之比。

f,。一E。/>:E

式中:E。为第订个频带的平均幅度:

Et一(y

l以.,1/N

(4office2002

N一/f+1,

‘<8

114一卜卜】。 ,≥8

设原始图像块的对比度为f一(Cj“’:.…“,.‰C是

财应E,,频带的对比度;另设增强后DCT矩阵块的对比度为c’一(f,,c!,…。“。如果足增强所有频带的对比度,则(,,=知。由此,根据式(3有:

瓦/y E一一C,j—Ac,,一AE。/∑E,

三氟乙酸,一0

f一0

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