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用CPLD實現嵌入式平臺上的實時圖像增強
摘要：提出了在嵌入式平臺上用CPLD實現實時圖像增強算法的解決方案，并加以實現。重點討論了經過改進的圖像增強算法以及使用CPLD實現的具體方法，介紹了所采用的嵌入式平臺的總體結構。關鍵詞：嵌入式CPLD實時處理圖像增強
通常，在擁有ＤＳＰ或ＦＰＧＡ的嵌入式平臺上，有關圖像信號處理的算法部分都由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ完成。但是相對于標準的ＰＣ平臺來說，嵌入式平臺的資源有限得多，而且由于成本的原因，中央處理器的速度也通常無法與ＰＣ相比。因此，在ＰＣ機上用軟件可以輕易實現的圖像處理算法，完全移植到嵌入式平臺上就要頗費一番周折了。
為了達到實時圖像處理的目的，除了最大限度地發揮中央處理器的圖像處理能力外，還需要合理地分配任務。ＤＳＰ芯片的優勢在于乘除運算的能力，由于其特殊的流水線結構和處理單元，大部分ＤＳＰ都能在單周期內完成在ＰＣ上需若干個周期才能完成的乘法運算，所以在進行諸如ＦＦＴ、ＤＣＴ等運算時優勢明顯；相反在進行簡單的加減運算時，由于時鐘頻率和總線寬度都無法與ＰＣ機相比，效率不高。因此，如果能用硬件實時實現這些相對簡單卻又繁瑣的運算，就可以大大提高系統的總體性能。
１改進的圖像增強算法
圖像增強是圖像處理中用于改善圖像質量以及圖像視覺效果的一種方法。在ＤＳＰ平臺上采用直方圖均衡實現實時圖像增強是一種常用的方法。對一幅連續圖像，其具有灰度Ｇ的閾值面積（所有輪廓線所包圍的面積）為Ａ（G），則其直方圖Ｈ（G）定義為：
Ｈ(G)=lim[A(G+ΔG)-A(G)/ΔG=d/dcA(G)，
ΔＧ→０
對于數字圖像，G為整數，A（G）表示灰度值大于等于G的象素個數，當ΔG=1,H（G）=A(G+1)-A(G)。
如果對A（G）做一次系數為Gm/A0的比例變換，Gm表示灰度的最大值，A0表示圖像的面積（在數字圖像中為象素總數）。這就是種線性直方圖均衡。這種直方圖均衡的具體實現如下：
（1）對于圖像{Pi,j|i=1,2,...，n;j=1,2,...,m}，就灰度G,G=0，1，...255，求出直方圖H（G）；
（2）由A（G+1）=A(G)+H(G)求出閾值面積A（G），G=1,2,...，255；
(3)求出變換后的灰度分度值hnew(G)=255A（G）/A0,A0=nm；
（4）Pij=hnew(Pij)。
借助ＬＵＴ，可使運算以最快速度實現。
考察直方圖均衡的實現過程可以發現，這是一種有限區間內的單調變換。從其頻域特性看，直方圖均衡改變了已有頻率成分的分布，使它們分布得更加均勻，但并不增加新的頻率成分。直方圖均衡對于彩色（灰度）值集中在低端的圖像，可起到較明顯的視覺改善作用。但對于那些色彩分布很不均勻、頻帶較窄，特別是整體偏亮的圖像，效果就不明顯了。
本文采用一種新的圖像增強方法，將對圖像的邊緣增強處理與均衡結合起來，并且這些運算最終可由硬件實現。
對于連續圖像Ｐ，其局部邊緣可由對應空間梯度的幅值，取其一階近似ΔＰｉ,j=2Pi,j-Pi,j-Pi-1,j，可得圖像{Pi,j|i=1,2,...,n;j=1,2,...,m}在（i,j）的邊緣信息。
如果不計Pi,j的取值范圍，可直接對圖像{Pi,j|i=1,2,...，n；j=1,2,...,m}進行修正：
Ｐ′i,j=Pi,j+ΔPi,j,
其中，Ｐ′i,j表示Ｐi,j修正后的值。顯然，圖像{Pi,j|i=1,2,...,n；j=1，2，...，m}按此規則修正后邊緣值的變化更為強烈，邊緣更為突出，可達到邊緣增強的效果。同時，由于在原圖像上疊加了梯度值，使得修正后的圖像的頻譜有一定的擴展。但由于沒有對Pi,j的取值作約束，這樣處理后的象素值可能會溢出，例如對于每個色彩通道為８位的圖像，處理后的數值可能會大于２５５或小于０。因此，通常要對其進行歸一化處理，即：
Ｐｎｅｗ＝２５５×(Ｐ′－Ｐ′ｍｉｎ)／（Ｐ′ｍａｘ－Ｐ′ｍｉｎ)。
但用硬件實現乘除運算可能會占用很多資源，上述公式即便以運算實現都是很不經濟的。本文采用預拉伸加飽和／截止的方法，在不犧牲頻率特性的基礎上達到減少計算量的目的。
考察ΔPi,j與Ｐi,j的直方圖，分別取得它們的右峰值所對應的橫座標，記為ＧΔ和Ｇ，并找到ｋ，使得ｋＧΔ＋Ｇ＝２５５，則修正公式變為Ｐ′i,j=Pi,j+kΔPi,j。其中kΔPi,j可以ＬＵＴ實現。修正后的Ｐ′i,j可在[0,255]上進行飽和／截止運算。
２用ＣＰＬＤ實現實時的圖像增強
本文所采用的改進圖像增強算法的主要成份是差分、累加以及飽和／截止。這些運算都是加減法及邏輯運算，都屬于ＡＬＵ的簡單操作，適合硬件實現。本文采用ＣＰＬＤ實現所提出的算法。以對具有３０ｆｐｓ的１２８０×１０２４ＲＧＢ圖像計算ΔＰi,j為例，每計算一點ΔＰｉ,ｊ需要４次加（減）運算，即總的需要１２８０×１０２４×３×３０×４＝４７１,895,２００次加（減）運算。如果采用的ＤＳＰ的速度是１００ＭＨｚ，且假定所有運算都是單周期的，則僅僅該運算就需要４．７ｓ！所以采用ＣＰＬＤ實現某些運算是必需的。
圖3圖像增強算法的硬件實現結構
采用ＣＰＬＤ實現運算（例如邊緣處理中涉及的求梯度運算），還需解決數據的暫存問題。本文以一片高速ＳＲＡＭ作為數據緩沖區。由于圖像數據的采樣輸入的頻率也很高，需要充分合理地安排好每一次操作的時序，充分利用已參與運算的數據及中間結果，減少數據進出ＳＲＡＭ的次數。
２．１基于Ｅ１－ＤＳＰ的網絡圖像采集平臺
在分析具體實現方法前，先簡要介紹所采用的硬件平臺。該平臺主要用于遠程圖像采集和以太網傳輸，其圖像通道結構如圖１所示。
ＯＶ９６２０是ＣＭＯＳ的數字圖像傳感器，負責采集連續的數字圖像；中央處理器使用德國ＨＹＰＥＲＳＴＯＮＥ公司的Ｅ１系列ＲＩＳＣＤＳＰ，它集ＤＳＰ和ＲＩＳＣ于一身，可以加載ＯＳ，方便地實現任務調度、內存管理等功能，大大提高系統的總體性能；ＣＰＬＤ的基本功能是作為Ｅ１總線接口控制模塊，本文還將用它實現圖像增強運算。
２．２算法的總流程
為了實現實時的讀寫和運算，需要由外部電路產生２４ＭＨｚ×４的時鐘ＥＸＣＬＫ作為讀寫時鐘，所有時序都由ＣＭＯＳ時鐘和ＥＸＣＬＫ控制，可以做到完全同步。具體流程如圖２所示。
(1)在ＣＭＯＳ時鐘到來時，從ＣＭＯＳ傳感器的數據輸出口采集Ｐｉ,ｊ，并實現加法運算ＲＥＳＵＬＴ＝Ｐｉ,ｊ＋Ｐｉ,ｊ，同時用ＥＸＣＬＫ的第０個時鐘向ＳＲＡＭ寫入Ｐ′ｉ,ｊ－１或Ｐ′ｉ,ｍ－１（本行最后一個數據，下一次操作應換行）；
（2）在ＥＸＣＬＫ的第１個時鐘鎖存ＲＵＳＥＬＴ，由ＳＲＡＭ讀入Ｐｉ－１，ｊ，并做減法運算ＲＥＳＵＬＴ＝ＲＥＳＵＬＴ－Ｐｉ－１,ｊ；
（３）在ＥＸＣＬＫ的第２個時鐘鎖存ＲＵＳＥＬＴ，由ＳＲＡＭ讀入Ｐｉ,ｊ－１，并做減法運算ＲＥＳＵＬＴ＝ＲＥＳＵＬＴ－Ｐｉ,ｊ－１；
（４）在ＥＸＣＬＫ的第３個時鐘鎖存ＲＵＳＥＬＴ，同時寫入Ｐｉ,ｊ。
然后開始下一個點的運算。
２．３硬件實現的邏輯結構
用ＣＰＬＤ實現該算法所采用的邏輯結構如圖３所示。
其中?熏加模塊實現２×Ｐｉ,ｊ運算，生成９位的運算結果交給減模塊；減模塊在ＥＸＣＬＫ的第二和第三個時鐘分別讀入Ｐｉ－１,ｊ和Ｐｉ,ｊ－１進行減法運算，并把結果存回ｒｅｓｕｌｔ寄存器。由于兩次減法在時間上是錯開的，因此只需要一個減法器就夠了，節約了內部資源。
圖３中的脈沖計數器是一個模４計數器，所有的讀寫時序和運算時序都由它控制。數據通道切換模塊控制流入ｒｅｓｕｌｔ寄存器的數據流，在第一個ＥＸＣＬＫ時鐘讓加法器的結果進入ｒｅｓｕｌｔ，其余的時間都讓減法器的結果進入ｒｅｓｕｌｔ。兩個選通邏輯模塊對ＥＸＣＬＫ起門控作用，選通邏輯１允許第１個和第２個時鐘通過，用來鎖存從ＳＲＡＭ讀入的數據；選通邏輯２允許第１、２、３個時鐘通過，用來鎖存三次運算的結果。
ＳＲＡＭ的讀寫操作由地址發生器和讀寫控制模塊共同實現。由于四次讀寫操作的地址都不同，且不連續，無法用普通的地址計數器實現。這里采用地址計數器加偏移的相對尋址法，具體結構如圖４所示。
地址計數器中保存Ｐｉ,ｊ的地址，它由ｃｍｏｓｃｌｋ作為時鐘實現累加；偏移地址則由脈沖計數器模塊控制，分別選擇Ｐ′ｉ,ｊ－１、Ｐｉ－１,ｊ、Ｐｉ,ｊ－１和Ｐｉ,ｊ的偏移地址；最后做減法運算得到絕對地址送到ＳＲＡＭ。
通過上述設計和優化，完全可以在結構和功能都比較簡單的ＣＰＬＤ上實現實時的圖像增強處理。
由于采
用了改進的圖像增強算法，在處理窄頻帶的圖像時收到了非常好的效果，部分測試結果如圖５所示。
與傳統的處理方法相比，改進后的算法對圖像的均衡效果更為明顯一些，而且由于展寬了頻帶，圖像的細節更加豐富，圖像更加明艷和清晰。
以上算法都在ＣＰＬＤ上實現，并沒有占用ＤＳＰ的處理時間，因而節省了大量的運算時間。筆者做過一個實際測試，在１００ＭＨｚ主頻的Ｅ１ＤＳＰ上用Ｃ編程實現一幀６４０×４８０ＲＧＢ圖像的增強算法大約需要１００ｍｓ（如果用匯編語言編程或對程序作優化可使性能提高一些），而且要占用大量存儲資源。這樣的運算速度只適合靜止圖像的處理。所以，如果不做簡化處理或采用更高性能的ＤＳＰ，根本無法做到實時處理。由此可見，采用硬件處理的方法可以極大地提高系統的總體性能。
綜上所述，在擁有ＤＳＰ的嵌入式平臺上使用ＣＰＬＤ實現改進的圖像增強算法是可行的，對于實時的圖像處理是一種高效的解決方法。
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