平臺直方圖均衡算法實現(xiàn)的存儲優(yōu)化方法

范永杰，張亞萍，陳 華

（昆明理工大學(xué)理學(xué)院工程數(shù)學(xué)中心，云南昆明650500）

平臺直方圖均衡算法實現(xiàn)的存儲優(yōu)化方法

范永杰，張亞萍，陳 華

（昆明理工大學(xué)理學(xué)院工程數(shù)學(xué)中心，云南昆明650500）

通常熱成像系統(tǒng)采用14 bit AD進(jìn)行探測器輸出的模擬數(shù)據(jù)的采集和處理，而顯示設(shè)備只要求8 bits數(shù)據(jù)寬度，因而需要進(jìn)行動灰度變換。平臺直方圖均衡是一種常用的變換方法，但直方圖的統(tǒng)計以及計算需要消耗大量存儲資源，在實現(xiàn)過程中通常需要專用存儲器。通過對原始圖像的通過抽樣統(tǒng)計和、灰度范圍線性預(yù)壓縮以及預(yù)設(shè)平臺最大值的方法可以大幅降低該算法對存儲量的需求，并滿足在FPGA片內(nèi)實現(xiàn)的要求。該方法已經(jīng)在FPGA處理電路上實現(xiàn)，實際試驗取得了較好的效果。

平臺直方圖均衡；熱成像；灰度變換；FPGA

1 引 言

高質(zhì)量紅外熱像儀產(chǎn)生的原始圖像具有很高的動態(tài)范圍，通常為10～14 bit的水平。為了能夠?qū)崟r顯示紅外圖像，原始14 bit數(shù)據(jù)需要自動轉(zhuǎn)換為8 bit圖像以便供常用的顯示器顯示。常用的方法則包括線性變換、直方圖均衡、直方圖映射以及平臺直方圖均衡等［1-2］。

對于大多數(shù)的場景，直方圖均衡并不能獲得令人滿意的圖像效果，因為灰度等級處于直方圖峰值附近的噪聲會被大幅地放大，并且犧牲部分原本可以顯示有用信息的灰度。而直方圖映射在實時處理應(yīng)用下，面對只有少量灰度級的場景時，圖像亮度往往會產(chǎn)生抖動，而對于一些內(nèi)容豐富的場景又往往表現(xiàn)出對比度不夠的缺點。

平臺直方圖均衡則通過利用可調(diào)的平臺值限制了直方圖的峰值，從而限制了噪聲；同時保留了部分灰度級統(tǒng)計的差異性使得圖像對比度得到增強(qiáng)，并且在實時處理下不會出現(xiàn)亮度的抖動。于是平臺直方圖均衡可以在大多數(shù)情況下滿足紅外場景處理的需求。

2 基本原理介紹

平臺直方圖均衡本質(zhì)上是產(chǎn)生了一個基于直方圖的灰度映射查找表。傳統(tǒng)的直方圖均衡是以圖像灰度直方圖為權(quán)重，進(jìn)行灰度變換，而平臺直方圖均衡算法在計算時對權(quán)重設(shè)置了一個上限值。這樣就適度地限制了背景和噪聲的提升，給細(xì)節(jié)的提升留出了空間。實際上平臺均衡算法就是直方圖均衡與直方圖映射算法的一個折中算法。用平臺值去限制原直方圖，然后再以限制后直方圖的像素數(shù)目作為均衡變換的各灰度級的新權(quán)重進(jìn)行計算。當(dāng)平臺值大于原直方圖的峰值時，原直方圖沒有變化，算法就是直方圖均衡；當(dāng)平臺值取最小值1時算法就是直方圖映射。

平臺直方圖均衡的計算步驟如下［3］：

（1）統(tǒng)計源圖像直方圖，記第i級灰度的像素數(shù)為Ci。

（2）選擇平臺值P，對各統(tǒng)計值進(jìn)行平臺限制，即令ci=min（Ci，P）。

（3）計算數(shù)據(jù)映射變換曲線：

其中，k為原灰度中第i級映射后對應(yīng)的新灰度級；D為映射變換后的數(shù)據(jù)寬度，如：變換后為256級灰度則取D=256。

式中，SP為平臺限制后像素總和。

如圖1所示，圖1（a）為中波320×240探測器輸出的原始14 bit圖像數(shù)據(jù)在二維平面上的分布及其直方圖。可以看到原始圖像有著非常寬的動態(tài)范圍接近1200級，同時某一級灰度所占的像素數(shù)目并不多，在600以下；圖1（b）為平臺值取1時的處理效果及變換后圖像的直方圖，此時等同于直方圖映射的效果；圖1（c）為平臺值取100時的處理效果及變換后圖像的直方圖，此時的效果介于直方圖映射和直方圖均衡；圖1（d）為平臺值取600時的處理效果及變換后圖像的直方圖，由原始圖像直方圖可以看到，當(dāng)平臺值取600時，對原始直方圖已經(jīng)沒有限制的作用，此時等同于直方圖均衡的效果。

圖1 利用平臺直方圖均衡進(jìn)行灰度變換的效果Fig.1 results of plateau histogram equalization

可以看到：隨著平臺值的不斷增加圖像灰度也隨之被拉開，當(dāng)平臺值取100時圖像灰度級被較好地拉開，圖像細(xì)節(jié)也很明顯。當(dāng)平臺值繼續(xù)增加時圖像被過度拉伸，對比過于強(qiáng)烈，一些占像素較少的灰度級被壓縮，使得一些細(xì)節(jié)也因此被壓縮，以致與相鄰灰度合并。由于有了平臺值對直方圖權(quán)重的限制使得我們可以得到較理想的處理效果。

3 存儲量計算

以中波320×240探測器輸出的14 bit原始圖像為例，一幅完整的原始紅外圖像有76800個像素，214（16384）級灰度，實現(xiàn)平臺直方圖算法首先要統(tǒng)計各灰度級所占的像素數(shù)，由于在實際應(yīng)用中各灰度級的像素數(shù)是隨場景變化的，從最極端的情況考慮（所有像素完全落入某一灰度級），要完整地實現(xiàn)統(tǒng)計，則每一個灰度級的存儲量應(yīng)該能夠容納整幅圖像的所有像素數(shù)，則需要11 bit。完成214級灰度的統(tǒng)計就需要11 bit×16384=180224 bit。之后進(jìn)行映射時需要建立查找表，214級灰度每一級都需要對應(yīng)一個256級的灰度，存儲量為8 bit×16384= 131072 bit。總的存儲量需求為311296 bit。顯然，如此設(shè)計將占用大量的存儲資源。

4 算法優(yōu)化

通過對一些參數(shù)、數(shù)據(jù)進(jìn)行近似處理，就可以近似地實現(xiàn)平臺算法，同時可以大幅降低算法對存儲量的需求。

4.1 抽樣統(tǒng)計

由對一幅完整的圖像進(jìn)行統(tǒng)計改為抽樣統(tǒng)計。如，橫向和縱向間隔一個像素進(jìn)行抽樣，那么總的統(tǒng)計數(shù)將減少為原始圖像的1/4。以圖1為例，總像素數(shù)將降為19200。

4.2 灰度范圍線性預(yù)壓縮

雖然原始的紅外圖像的有效灰度級較寬，但是并不會將整個灰度級完全占據(jù)，如此，可根據(jù)一般情況下圖像灰度寬度，利用線性的方法［4-5］進(jìn)行預(yù)壓縮，實質(zhì)為對直方圖進(jìn)行了坐標(biāo)變換，但不改變對應(yīng)灰度的權(quán)重，因此可以保證后續(xù)處理的效果。

以圖1為例，原始圖像灰度范圍接近1200級，則可將預(yù)壓縮范圍設(shè)定為2048級，通過線性的方式將圖像截取至2048（11 bit）范圍內(nèi)，使得直方圖的主體落入0～2047范圍內(nèi)，從而降低了數(shù)據(jù)寬度。

4.3 預(yù)設(shè)平臺最大值

最后，對于實際圖像，所有像素的灰度是不會完全落入某一灰度的，同時平臺值設(shè)置的目的也是對直方圖進(jìn)行限制，因此，對于直方圖統(tǒng)計的存儲空間可適當(dāng)調(diào)低。以圖1為例，直方圖的峰值小于600，如果進(jìn)行抽樣統(tǒng)計，則峰值將變?yōu)榉浅闃拥?/4，即小于150，實際設(shè)計時可再適當(dāng)放寬存儲空間，設(shè)為256（8 bit），即平臺值最高取值。

則最終統(tǒng)計直方圖需要的存儲量為8 bit× 2048=16384 bit；2048級灰度映射至8 bit灰度級查找表的存儲量為8 bit×2048=16384 bit，總存儲量需求為32768 bit，為原始設(shè)計的10.53%。

5 FPGA設(shè)計流程

實現(xiàn)平臺算法的設(shè)計流程如圖2所示。該流程分為前向通路和統(tǒng)計計算支路。在前向通路中，首先實現(xiàn)將輸入的14 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行線性截取至11 bit的數(shù)據(jù)；之后將11 bit的數(shù)據(jù)作為查找表的地址輸入，映射出均衡后的8 bit灰度級。

圖2 優(yōu)化算法的實現(xiàn)流程圖Fig.2 the realizing flow chart of optimization

在統(tǒng)計計算支路中，利用11 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖的統(tǒng)計，及后續(xù)計算。直方圖利用一個8 bit寬度2048深度的FPGA片內(nèi)雙口RAM進(jìn)行存儲［6］，一個讀寫口提供給統(tǒng)計模塊，另一個讀寫口提供給查找表計算模塊。由于實時性的需要，統(tǒng)計模塊利用一個二倍于像素時鐘的處理時鐘，實現(xiàn)在一個像素時鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)提取，直方圖統(tǒng)計量與平臺值的比較，直方圖的累加及存儲。使用者根據(jù)圖像狀況由外部輸入平臺值。直方圖是在兼顧平臺值的情況下進(jìn)行統(tǒng)計的。首先根據(jù)當(dāng)前像素的灰度提取RAM中的ci，之后將其與平臺值進(jìn)行比較，若小于平臺值則ci和SP都累加一，否則不進(jìn)行累加，最后更新ci。

在場消隱期間由計算單元提取ci和SP的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算變換曲線k，并送入查找表，同時對ci存儲器進(jìn)行清零。

6 實驗結(jié)果及結(jié)論

將程序下載到熱像儀中的FPGA芯片內(nèi)后，觀察處理得到圖像。調(diào)整不同的平臺值可以看到圖像的灰度級被較好地拉開，圖像的層次感明顯。實驗說明，通過抽樣統(tǒng)計和、灰度范圍線性預(yù)壓縮以及預(yù)設(shè)平臺最大值的方法可以大幅降低該算法對存儲量的需求，同時保證成像的質(zhì)量。如此可降低該算法對硬件的實現(xiàn)要求，提高算法的可移植性以及系統(tǒng)的靈活性。

［1］ Liu Zhicai，Li Zhiguang.A review on image process technique of thermal imager［J］.Infrared Technology，2000，22（6）：27-32.（in Chinese）

劉志才，李志廣.紅外熱像儀圖像處理技術(shù)綜述［J］.紅外技術(shù)，2000，22（6）：27-32.

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王炳健，劉上乾，周慧鑫，等.基于平臺直方圖的紅外圖像自適應(yīng)增強(qiáng)算法［J］.光子學(xué)報，2005，34（2）：299-301.

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范永杰，范宏波，李志廣.288×4紅外熱像儀實時圖像灰度級調(diào)整［J］.紅外技術(shù)，2006，28（5）：280-282.

［5］ Yong Yang，Wang Jingru，Zhang Qiheng.Enhancement of low contrast image contain small target［J］.Laser&Infrared，2005，35（5）：370-373.（in Chinese）

雍楊，王敬儒，張啟衡.弱小目標(biāo)低對比度圖像增強(qiáng)算法研究［J］.激光與紅外，2005，35（5）：370-373.

［6］ xilinx.ISE design suite software manuals and help-PDF collection［EB/OL］.［2009-04-18］http：//china.xilinx.com/support/documentation/dt-ise11-1-tutorials.htm.

［7］ Xia Yujian.Verilog digital system design tutorial［M］. 2nd ed.Beijing：Beihang University Press，2008.（in Chinese）

夏宇間.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程［M］.第2版，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

Realizing memory oPtim ization to Plateau histogram

FAN Yong-jie，ZHANG Ya-ping，CHEN Hua
（School of Science，Engineering Mathematics Center，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

14 bit AD is usually used to acquire and process the detector′s analog output in thermal imaging systems whilemost display devices only required 8 bit video signal，thus gray translation should be carried out.Plateau histogram is a common translationmethod，but itneeds largememory and processing time.Usually a specialmemory chip is required in the process.Thememory requirement can be reduced largely by the proposed method.Itmakes sampling statistics，compresses the previous gray level and set a suitablemaximum plateau value.All the work can be done in a single FPGA.Experiments prove that themethod works well.

plateau histogram；thermal imaging system；gray translation；FPGA

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2013.05.011

1001-5078（2013）05-0522-04

省級項目（人培）（No.KKSY201207066）資助。

范永杰（1980-），男，講師，博士，主要從事夜視與紅外技術(shù)，光電圖像處理，光電檢測與儀器的研究和教學(xué)工作。E-mail：fanyj1980@263.net

2012-10-25；

2012-11-21