基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)分析

1、圖像增強(qiáng)IP簡介

Xilinx的Vivado中集成的圖像增強(qiáng)（Image Enhancement）IP可以有效降低圖像噪聲并增強(qiáng)圖像邊緣。該IP使用了2D濾波方式，可以在達(dá)到更好的圖像噪聲抑制同時(shí)，保留并增強(qiáng)圖像邊緣。

如圖所示，對于一個(gè)比較經(jīng)典的圖像前端處理，圖像增強(qiáng)常常也是一個(gè)必不可少的步驟。在我們這個(gè)實(shí)例中，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)右側(cè)圖示紅圈內(nèi)的圖像流處理。即RGB toYCbCr模塊、圖像增強(qiáng)模塊、YCbCrto RGB模塊，這3個(gè)模塊都有可用的IP核。

圖像增強(qiáng)IP的功能框圖如下所示。該IP輸入和輸出的圖像數(shù)據(jù)必須為YUV444或YUV422模式；待處理圖像進(jìn)入IP后，首先需要多行緩存，然后分別通過降噪（Noise Reduction）模塊和邊緣檢測與增強(qiáng)（Edge Map Morphology和Edge Enhance）模塊。完成處理后的圖像再擬合在一塊，最后會通過可選的光環(huán)抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊，完成最終圖像輸出。邊緣增強(qiáng)和噪聲抑制實(shí)際上是兩個(gè)完全相反的圖像處理方式，為了保證兩個(gè)模塊能夠更好的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)圖像的效果，在這個(gè)IP中，第一步做的是圖像的形態(tài)檢測（Edge Map Morphology），然后再根據(jù)這個(gè)結(jié)果，對圖像中需要降噪的部分和邊緣增強(qiáng)的部分分別處理。

1.1 圖像形態(tài)檢測

圖像形態(tài)學(xué)檢測是整個(gè)圖像增強(qiáng)的第一步，它用于指示后續(xù)需要對圖像進(jìn)行降噪或邊緣增強(qiáng)操作。圖像形態(tài)學(xué)檢測主要包括下面兩步：

①經(jīng)過二維的FIR濾波器，從水平、垂直以及兩個(gè)對角共4個(gè)維度提取邊緣信息。

②使用拉長、正交的結(jié)構(gòu)單元和形態(tài)學(xué)處理，用于提供清晰的各個(gè)方向邊緣信息。

1.2 降噪處理

降噪處理是基于中心像素點(diǎn)以及特定的臨近像素點(diǎn)的濾波實(shí)現(xiàn)的。算法實(shí)現(xiàn)類似高斯的定向低通濾波。噪聲門限由IP核的設(shè)置決定。圖像形態(tài)檢測信息標(biāo)定出的邊緣不會做任何的降噪處理。

1.3 邊緣增強(qiáng)

IP核設(shè)定的邊緣增強(qiáng)參數(shù)決定了邊緣增強(qiáng)的幅度。根據(jù)邊緣檢測形態(tài)信息，邊緣增強(qiáng)模塊對標(biāo)記處的邊緣做拉普拉斯濾波，實(shí)現(xiàn)邊緣增強(qiáng)效果。

1.4 光環(huán)抑制與鋸齒消除

光環(huán)抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊是可選的功能塊。前面進(jìn)行噪聲抑制和邊緣增強(qiáng)后的圖像，可能存在圖像邊緣被放大或抑制的情況。光環(huán)抑制和鋸齒消除，是通過判斷每個(gè)新的像素值與原圖像的像素值以及鄰近8個(gè)像素值的比較，以判斷其是否需要進(jìn)行相應(yīng)的處理并實(shí)現(xiàn)圖像的優(yōu)化。

如圖所示，原圖（左側(cè)）在圖像增強(qiáng)后可能出現(xiàn)光環(huán)現(xiàn)象（中間），那么經(jīng)過光環(huán)抑制后圖像（右側(cè)）就能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化。

2、測試激勵(lì)說明

使用at7_img_ex08matlab文件夾下的Matlab源碼image_txt_generation.m產(chǎn)生作為FPGA仿真輸入的測試圖像數(shù)據(jù)，存儲在image_in_hex.txt中。FPGA仿真測試后，產(chǎn)生圖像增強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲在FPGA_Enhenchment_Image.txt中，使用Matlab的draw_image_from_FPGA_result.m腳本則可以比對圖像增強(qiáng)前后的效果。

3、 IP添加與配置

Vivado的IP Catalog中，Video & Image Processing分類下，可以看到有很多可用的圖像處理IP核。我們需要用到的RGB toYCbCr、Image Enhancement和YCbCrto RGB這3個(gè)IP核，都在該分類下可以找到。

3.1 RGB toYCbCr IP配置

Feature配置頁面中，設(shè)置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。

Custom配置頁面中，可以看到RGB toYCbCr轉(zhuǎn)換的基本公式參數(shù)。

3.2Image Enhancement IP配置

配置頁面很簡單，設(shè)定好圖像位寬8bit，圖像分辨率640*480，圖像噪聲抑制（Image Noise Reduction）水平（取值0~255），圖像邊緣增強(qiáng)（Image Edge Enhancement）水平（取值0~1.0），以及可選的光環(huán)抑制（Halo Suppression）和鋸齒消除（Anti-Alias Filtering）。

3.3 YCbCrto RGB IP配置

Feature配置頁面中，設(shè)置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。

Custom配置頁面中，可以看到Y(jié)CbCr to RGB轉(zhuǎn)換的基本公式參數(shù)。

4、FPGA仿真

Vivado打開zstar_ex70工程，在Sources面板中，展開Simulation Sources à sim_1，將at7_image_enhance_sim.v文件設(shè)置為top module。點(diǎn)擊Flow Navigator面板的Simulation à Run Simulation打開仿真頁面，matlab產(chǎn)生的原始圖像數(shù)據(jù)image_in_hex.txt需要放置在at7.sim文件夾下，仿真測試結(jié)果位于at7_img_ex08at7.simsim_1ehav文件夾下。

在設(shè)定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.0，Halo Suppression = 0.125時(shí)，比對圖像如下。

在設(shè)定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.125，Halo Suppression = 0.75時(shí)，比對圖像如下。

在設(shè)定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 1.0，Halo Suppression = 0.75時(shí)，比對圖像如下。

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