通過DSP實(shí)現(xiàn)對數(shù)字圖像的增強(qiáng)處理與應(yīng)用分析

一、基本原理

圖像增強(qiáng)是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)削弱或去除某些不需要的 信息，它是一種將原來不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特 征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識別效果的圖像處理方法。 圖像增強(qiáng)技術(shù)基本上可分成兩大類：頻域處理法和空域處理法。頻域處理法的基礎(chǔ)是卷 積定理，它是將圖像看作波，然后利用信號處理中的手段對圖像波進(jìn)行處理?？沼蛱幚矸ǖ?基礎(chǔ)是灰度映射變換，它是直接針對圖像中的像素進(jìn)行處理，所用到的映射變換取決于增強(qiáng) 的目的，例如增加圖像的對比度，改善圖像的灰度層次等處理均屬于空域處理法的范疇。 線性空域銳化濾波法是一種經(jīng)典且有效的圖像增強(qiáng)技術(shù)。

最常用的線性空域銳化濾波器 是一種線性高通濾波器，其工作原理在于讓圖像的低頻分量受到抑制而不影響高頻分量，由 于低頻分量對應(yīng)于圖像中灰度值緩慢變化的區(qū)域，和圖像的整體特性無關(guān)，僅與圖像整體對 比度以及平均灰度值等有關(guān)系，所以該濾波器把這些分量濾去后，使得圖像進(jìn)一步銳化。然 后通過增強(qiáng)圖像中被模糊的細(xì)節(jié)以達(dá)到目標(biāo)和背景易于分離的目的。 在空域內(nèi)進(jìn)行濾波是利用模板和圖像進(jìn)行卷積來實(shí)現(xiàn)的，其主要步驟如下：(1)將模板 在圖像中漫游，實(shí)現(xiàn)模板的中心與圖像中某個(gè)像素位置重合；(2)將模板上系數(shù)與模板下的 圖像的對應(yīng)像素相乘；(3)將所有乘積的結(jié)果相加；(4)將相加之和（模板的輸出響應(yīng)）賦給 圖像中對應(yīng)模板中心位置的像素。例如圖1（a）給出一幅原始圖像的一部分，其中sx 表示 像素的灰度值。圖1（b）是一個(gè)3X3 的模板，模板內(nèi)的kn 表示為模板系數(shù)。如將k0 所在位 置與圖像中灰度值為s0 的像素重合（即把模板中心放在圖中的(x, y)位置），則模板的輸出響 應(yīng)R 表示為： R=k0s0+k1s1+……+k8s8 并且把R 值賦給增強(qiáng)圖，作為 (x, y)位置處的灰度值， 如圖1（c）所示。如果對原圖像的每個(gè)像素都這樣進(jìn)行處理就可以得到所有位置增強(qiáng)后的 新灰度值。如果我們在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)給每個(gè)k 賦予不同的值，就可得到不同的高通或低通效 果。

二、基于二階微分的圖像增強(qiáng)方法——拉普拉斯算子法

由于銳化圖像這種變換常常具有隨意的方向，因而需要挑選那些不具備空間方向性的同 時(shí)具有旋轉(zhuǎn)不變性的線性微分算子幫助我們銳化圖像，例如Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Krisch 算子、高斯—拉普拉斯算子等等。其中拉普拉斯算子就是不依賴于邊緣方向的 二階微分算子，同時(shí)也是最常用的二階導(dǎo)數(shù)算子。對于一個(gè)連續(xù)函數(shù)f（x，y）來說，它在 （x，y）點(diǎn)的拉普拉斯表達(dá)式為：

去模糊圖像拉普拉斯算子乘一個(gè)常系數(shù)kτ 而得到。但是對kτ 要合理挑選，kτ 太大會使圖像中輪廓邊緣產(chǎn)生過沖，kτ 太小會銳化不明顯。

對數(shù)字圖像來講，圖像f（i，j）的一階偏導(dǎo)數(shù)為：

拉普拉斯算子通常用模板來進(jìn)行檢測。典型的空域銳化濾波器的中心系數(shù)應(yīng)為正數(shù)而周 圍的系數(shù)應(yīng)為負(fù)數(shù)。對3X3 的模板來說，典型的系數(shù)取值是取圖1 中的k0=8，而其余系數(shù) 都為-1，這樣所有的系數(shù)之和都為0。當(dāng)這樣的模板放在圖像中灰度值是常數(shù)或變化很小的 區(qū)域時(shí)，其輸出為零或很小。

三、硬件部分設(shè)計(jì)

如圖 3 所示是一個(gè)基于TI 公司的TMS320VC5402 芯片的數(shù)字圖像空域?yàn)V波增強(qiáng)的DSP 電路原理圖。從圖3 中可以看到，視頻信號由同軸電纜送入AD8041，此處AD8041 是一個(gè)電壓跟隨 器，信號經(jīng)過兩個(gè)二極管嵌位，和R3 電阻限流后送入AD9057 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后由AD9057 把模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，并通過DSP（VC5402）的外部數(shù)據(jù)總線的低8 位送 入DSP 中進(jìn)行處理，其中空域?yàn)V波程序由DSP 來實(shí)現(xiàn)。

四、軟件部分設(shè)計(jì)

以下程序是就是基于圖 3 所示的DSP 平臺實(shí)現(xiàn)對圖像進(jìn)行空域增強(qiáng)濾波的部分程序。

Block repeats (ehancement_loop-1)

a=T* *ar4 ；把中心像素的灰度值和中心系數(shù)ko 相乘，即是ko╳so

四、結(jié)束語

目前有很多場合需要對現(xiàn)場自動拍攝的圖像進(jìn)行處理，例如在賓館的保安監(jiān)控系統(tǒng)、城 市交通擁擠道路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場環(huán)境的原因，拍攝的圖像不盡人意，無法看清 細(xì)節(jié)，不便于公安部門或交通管理部門監(jiān)視處理，這時(shí)就需要對所拍攝的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。 在另一方面，由于一個(gè)對某一圖像效果好的增強(qiáng)算法不一定適合于另一種圖像，所以一般情 況下，為了得到滿意的圖像增強(qiáng)效果，常常需要同時(shí)挑選幾種合適的增強(qiáng)算法進(jìn)行相當(dāng)數(shù)量 的試驗(yàn)，從中選出視覺效果比較好的，計(jì)算量相對小的，又能滿足要求的最優(yōu)算法。本文采 用的線性空域銳化濾波法是一種經(jīng)典且有效的圖像增強(qiáng)技術(shù)，它能夠使得圖像對比度變大。 目標(biāo)和背景易于分離，在工程應(yīng)用中具有很強(qiáng)的實(shí)用性，同時(shí)具有很廣的市場前景。