基于基于FPGA的彩色图像增强系统的彩色图像增强系统
设计一个基于FPGA的实时视频图像处理系统，包含增强对比度扩展和色饱和度两种处理方法，相比于DSP和
ASIC方案来说，FPGA在性能和灵活性方面具有绝对优势，应用FPGA设计视频通信系统更普遍。
在从图像源到终端显示的过程中，电路噪声、传输损耗等会造成图像质量下降，为了改善显示器的视觉效果，常常需要进
行图像增强处理。图像增强处理有很强的针对性，没有统一的评价标准，从一般的图片、视频欣赏角度来说，滤除噪声、扩展
对比度、锐化以及色彩增强等处理能显著提升视觉效果。
这里设计一个基于
1 原理和算法原理和算法
图像增强处理可以在频域和空间域进行，典型的频域方法如直方图增强处理，适合于软件系统实现；而硬件系统更适合于
空间域处理，因此本文所述的处理方法都将在空间域进行。
1. 1 对比度扩展对比度扩展
对比度扩展又称灰度变换，其目的是在拓展感兴趣的灰度区间的同时，压缩不感兴趣的灰度区间。最简单有效的方法是线
性变换，满足以下关系：
f(x，y)和g(x，y)分别表示输入图像和输出图像的灰度值。经过变换，线性拉伸了在a～b内的灰度值，同时对[0，a]和
[b，255]灰度区间进行抑制。从显示设备的角度来说，一般民用级别的显示器都不具备完美表现256灰阶的能力，因此抑制过
暗[0，a]和过亮[b，255]的灰度区间而增强中间区域的动态范围，可以避免灰阶的浪费。从另一个角度来讲，通常一幅图像所
包含的过暗和过亮的像素点本来就是少数，有目的有针对性地扩展中间范围灰度而压缩两头的灰度，可增强图像质量，得到更
好视觉效果，而图像信息的损失却很小。
1．．2 色彩增强色彩增强
色彩增强的目的是在保证颜色不失真的前提下，有针对性地增加图像的色彩饱和程度，使其看起来更鲜艳生动，层次感更
强。
1．．2．．1 HSI模型简介模型简介
在彩色图像处理中，RGB、YCbCr、CMYK等是常用的色彩模型，其算法和相互间的转换很易用硬件实现，但是它们都
不能很好适应实际上从人的角度来解释的颜色。
研究表明，从人的角度来观察一个彩色物体时，一般用色调、色饱和度和亮度这3个参量来描述该物体。色调描述纯色的
属性，而饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量。亮度即图像的明暗程度，是一个主观的描述量。基于这3个参量建立
的HSI彩色模型是开发基于彩色描述的图像处理方法的理想工具。下面简单阐述HSI模型的原理。
图1所示是一个RGB彩色空间的立方体模型，边长归一化为1，原点处为黑色，相对的顶点处为白色。连接黑白两点得到
灰度轴，这根轴上的饱和度为0，即没有彩色分量。在灰度轴上有相同投影点的点具有相同的亮度，即垂直于灰度轴的平面内
的点具有相同的亮度值。
在立方体内任取一点P，它与灰度轴确定一个平面。根据颜色学的理论，所有颜色都是由位于那些颜色定义的三角形内的
3种颜色产生的，在这个平面内，三角形的3个顶点分别是黑色、白色和P的颜色，而黑色和白色是不能改变色调的，所以这个
平面内的点具有与P点相同的色调，即等色调面。直观地说，越靠近灰度轴的点，颜色越淡，所以色饱和度的定义就是该点与
灰度轴的距离：距离越远，饱和度越强；距离越近，饱和度越弱；距离为0则饱和度也为0，这时就完全没有彩色。
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