基于FPGA的智能視頻信號處理技術要點

李楠 西安交通大學城市學院

視頻能夠幫助人們準確、直觀、高效的接受信息。視頻應用系統的環節十分復雜，其中主要包括信息采集、傳送、轉換以及顯示等，在這些應用環節中，會由于各種不可避免的原因而在不同程度上降低圖像的質量和清晰度。例如，在攝影的過程中，由于外部光照強弱不同等外在環境因素就會最終導致圖像太亮或者太暗；同時，光學系統在電子設備發生失真或者大氣流動的情況下都會導致圖像不清晰，模糊；另外，信道傳輸和系統軟件也會引入各種噪聲。上述問題都會在一定程度上影響著視覺效果，同時也會視頻圖像的傳輸和儲存。

1 基于FPGA的智能視頻信號處理技術的結構特性及參數

邏輯資源比較多。在我國半導體技術快速發展，超大規模集成電路制作工藝水平日漸提高的形勢下，可用于內部的單片FPGA邏輯資源的數量也逐漸增多。邏輯資源比較多。在我國半導體技術快速發展，超大規模集成電路制作工藝水平日漸提高的形勢下，A1tera公司生產的cycloneII系列中的FPGA最大程度上可以容納68416個LE。除此之外，隨著可用的IO數量不斷地增多，在我國現階段，A1tera公司研發出的NIOS處理嵌入式軟核CPU技術大大提高了FPGA的功能。

2 基于FPGA的智能視頻信號處理技術的作用

基于FPGA智能信號視頻處理技術的優勢非常多，例如，它不僅可以有效、精確的進行延時處理和延時控制，同時也能夠在一定程度上通過應用時序分析和時序約束這兩種方式，科學、精確的計算出各種器件間的信號傳輸和延時，并能夠進一步提升系統工作的安全性、穩定性，以及系統運行的效率。同時，對于高速DDR SDRAM的控制和設計來說，利用專用的時鐘引腳驅動，準確的計算出時鐘延遲與信號延遲，可以有效的確保系統能夠長時間的穩定運行，從而在最大的程度上減少數據存取過程中出錯的概率。

3 閾值分割技術

隨著我國科學技術的發展，閾值分割的算法越來越多。比如，可以先選擇一副灰度圖像，在圖像上合理的選擇一個適當的像素點灰度值當做圖像分割的準確閡值，再逐一的對該灰度值和圖像中的像素灰度值進行比對，并把對比的結果分別分為背景目標和前景目標。背景目標主要是指灰度值小于閥值的像素[1]。前景目標主要是指灰度值大于閥值的像素。在這其中，當像素的灰度值與選取的閥值相等時，就能夠把這些像素隨意分為前景目標或者是背景目標。在大多數情況下，前景目標和背景目標像素都屬于圖像中的兩大部分。因此，對于一副灰度級較為完整的圖像來說，一定要根據閥值的具體分類來更好地實現區域分割的根本目標。

根據以上的分析，在對圖像的閾值進行分割的整體過程中，一定要具備如下特點：（1）在分割圖像的每一個子區域時，一定要在原圖像的基礎上進行，并把每一個子區域進行適當的組合就可以形成與之對應的原始圖像。（2）在對圖像進行分割工作過程中，任何子區域之間都不會產生交集。（3）分割后的各個子區域都具有屬于自己的非常獨特的特征，也可以說是，在同一區域內的像素在一定程度上具有一定的共同特性。（4）每一個子區域各自的性質都不相同，并且他們之間也沒有公共元素。（5）每一個子區域內的各個像素之間的聯系都是十分緊密的，也就是說，屬于同一區域內的任意的兩個像素之間應該是相互連通的。這就進一步說明了，在對圖像進行閥值分割的過程中一定要先選擇一個適當的閥值，然后在逐一對比閥值和各個像素點，并根據對比結果來劃分前景目標和背景目標。

根據上面陳述的內容來看，FPGA的智能視頻信號處理技術中的閥值分割最關鍵的一個環節就是閥值的確定，如果閥值的選擇得當，并能夠得到準確的閥值，就能夠更加快速的把目標和背景進行有效的分離。在準確的確定分割閥值之后，就要采用并行處理的算法，來進一步分析與比較圖像中各個像素點和閥值，并合理的劃分像素灰度，最后在根據相關的閥值分割結果來給出圖像區域。

4 圖像增強技術

圖像增強技術是FPGA的智能視頻信號處理過程中最重要的一個環節，同時也是最為關鍵的一個部分，并在圖像的處理與加工過程中發揮著積極不可替代的作用。圖像增強技術具體就是指提升對圖像目標的識別能力，該技術最直接的作用就是在最大限度上提升圖像的可分辨度，或者是把圖像通過科學的方法把圖像合理的轉換成一種更適合利用計算機進行輔助處理的形式。彩色圖像增強技術主要的內容是指在灰度圖像增強技術的基礎上，進行進一步的發展與完善，因此就要熟練地掌握灰度圖像增強技術。

圖像增強技術主要分為兩個部分，一部分是空域處理，另外一個部分就是頻域處理。其中應用最為廣泛的就是空域增強的方法。空域增強法能夠在直接處理圖像像素的基礎上根據相關的要求進行圖像增強也就是童工圖像的空間信息（像素位置和像素值）進行圖像增強。大多數情況下，由于沒有適用于圖像增強技術的通用理論，從而就導致圖像增強技術在面對各種各樣的對象時，要選擇十分合理的方法來進行相關的技術處理，以此來進一步增強原始圖像在某一種特定對象的實用性。

判斷一個圖像處理系統的好壞最重要的一個基礎條件就是是否可以對圖像進行及時、有效的處理。由于濾波器的復雜性在日常應用過程中解決問題的的效率較低，運算速度較快以及事實性性較差，從而導致濾波器的應用不是很常見。一方面，采用FPGA智能視頻信號處理技術不僅能夠有效增強算法，同時憑借它的優越性也能夠有效的來彌補PC機算法的不足以及耗時較長的缺陷。另一方面，利用FPGA智能視頻信號處理技術能夠在最大程度上實現與圖像增強算法快速提高處理器的工作效率和運轉速度，并有效改善系統的實時性，因此，FPGA的智能視頻信號處理技術具有十分高的理論價值和實用價值。

5 結束語

總而言之，基于FPGA的智能視頻信號處理與其它硬件相比，其視頻信號處理的效果更加良好，并且具有低成本、低消耗、速度快以及高信噪比等一系列的優點。對于FPGA的智能視頻信號處理技術來說，閾值分割以及圖像增強是非常關鍵的兩個部分。其中效果最好的就是ALTERA公司設計、生產的CYCLONE IV系列中EP4CE30F23C6這一款性能比較高的核心板，這種核心板在視頻圖像處理以及數據采集方面的實用性非常高。除此之外，FPGA的智能視頻信號處理技術也有利于嵌入式系統的開發、無線視頻的傳輸，并能夠進一步促進我國智能信號處理技術水平的發展。

[1]李后英.基于FPGA的焊縫圖像處理系統設計[D].哈爾濱工程大學,2016.

[2]馮亮.機器視覺技術的視頻跟蹤系統研究及FPGA實現[D].貴州大學,2015.

[3]杜振宇.基于FPGA的圖像匹配技術的研究[D].中北大學,2013.

[4]來海軍.基于FPGA的雙通道視頻采集與預處理系統設計[D].南京理工大學,2013.

[5]符多鐸.基于FPGA的運動目標檢測方法研究[D].中北大學,2014.