摘要：本文首先對圖像采集卡系統(tǒng)的組成、整體方案和可行性進行了論證，然后給出了圖像采集卡的硬件設(shè)計。用VHDL和原理圖結(jié)合的方法對FPGA進行編程，實現(xiàn)了圖像采集系統(tǒng)的各個功能模塊。接下來提出一種采用設(shè)計的FPGA卡實現(xiàn)帶修改參數(shù)的灰度變換圖像增強算法，給出算法的詳細表達式及其實現(xiàn)的定點化子程序，并且給出了圖像算法在FPGA中采用VHDL語言的具體實現(xiàn)。最后，對算法的有效性進行了測試，比較了采用該算法及不采用該算法2種情況下的圖像增強效果。

0 引言

圖像在采集過程中不可避免地會受到傳感器靈敏度、噪聲干擾以及模數(shù)轉(zhuǎn)化時量化問題等因素影響而導(dǎo)致圖像無法達到人眼的視覺效果，為了實現(xiàn)人眼觀察或者機器自動分析的目的，對原始圖像所做的改善行為，就被稱作圖像增強技術(shù)。因此圖像增強技術(shù)雖然是改善圖像質(zhì)量的通用方法，但是它也同樣帶有針對性，它必須是針對某一特定的需要而采用的特定的算法來實現(xiàn)圖像質(zhì)量的改善。

圖像增強技術(shù)根據(jù)各種不同目的而產(chǎn)生了多種算法，根據(jù)處理空間的不同把這些算法分為基于空間域的圖像增強算法和基于變換域的圖像增強算法。基于空間域的圖像增強算法又可以分為空域的變換增強算法、空域的濾波增強算法以及空域的彩色增強算法；基于變換域的圖像增強算法可以分為頻率域平滑增強算法、頻率域的銳化增強算法以及頻域彩色增強算法。

本論文采用的是空間域圖像增強算法，主要利用一定的圖像灰度值映射準(zhǔn)則來調(diào)整圖像灰度的動態(tài)范圍，從而實現(xiàn)圖像的增強。

1 圖像采集卡總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個采集卡可分成3個子模塊，主要有PCI總線部分、FPGA系統(tǒng)部分和外圍接口部分。PCI總線部分的主要功能是完成PC機和PCI本地總線上設(shè)備的通信，包括PCI總線的通信，本地總線上的總線仲裁、數(shù)據(jù)傳輸、中斷、中斷握手以及PCI9054 芯片的配置功能。

FPGA 系統(tǒng)部分主要實現(xiàn)的是一個FPGA 最小系統(tǒng)。作為PCI9054 本地總線上的設(shè)備，F(xiàn)PGA 需要完成和PCI9054本地總線接口之間的通信。同樣FPGA也需要具有上電自動配置的功能。外圍接口部分主要與FPGA 通信。雖然通過FPGA 產(chǎn)生了各種控制信號，但這些信號在被轉(zhuǎn)換之后才能用于實際的控制。外圍接口部分的主要任務(wù)就是進行電平轉(zhuǎn)換，以達到實際應(yīng)用的要求。

2 圖像增強算法實現(xiàn)

2.1 圖像增強算法設(shè)計

在此，采用基于點操作的增強方法，也稱為灰度變換。采用直接灰度變換方法實現(xiàn)增強原圖各部分的反差。實際中往往采用增加原圖里某兩個灰度值間的動態(tài)范圍來實現(xiàn)。在本設(shè)計中，采用圖2所示的直接灰度變換的方法，橫坐標(biāo)表示原圖像的灰度值，縱坐標(biāo)表示變換后的灰度值，實線為本論文中討論的增強對比度變換曲線。虛線表示不做任何變換的曲線圖。

可以看出把原圖中的0~ r1 和r2 ~ 2n - 1 間的動態(tài)范圍明顯減小，而原圖中灰度值r1 ~ r2 之間的動態(tài)范圍增加了。其中n 為圖像位寬。這樣，分段線性變換的數(shù)學(xué)表達式如下：

簡化表達式，化簡如下：

式中參數(shù)k1 ,k2 ,k3 可能是一個小數(shù)，為了在FPGA 里面能夠進行計算，首先需要對這3個參數(shù)進行定點化處理。整個定點化的工作被嵌入到驅(qū)動程序中，用戶只需輸入接口數(shù)據(jù)r1 ,r2 ,s1 和s2 ,驅(qū)動程序生成定點化結(jié)果k1 ,k2 ,k3 和移位的位數(shù)bit1 ,bit2 ,bit3 送入FP-GA.本論文采用定點化方法是，先將小數(shù)進行乘2操作（移位操作），如果先到達整數(shù)或者大于512提前完成乘2操作，否則對其32次的乘2操作。

2.2 圖像增強算法的FPGA實現(xiàn)

利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的并行、實時處理的特性，實現(xiàn)圖像增強的片上集成系統(tǒng)（SoC）。系統(tǒng)將圖2 中的r1 ,r2 ,s1 和s2 設(shè)計成接口參數(shù)，用戶通過主控計算機的應(yīng)用程序可以反復(fù)配置參數(shù)，直到得到預(yù)期的結(jié)果為止。

2.2.1 FPGA算法的VHDL實現(xiàn)

為了方便闡述，把整個FPGA 實現(xiàn)圖像增強算法，分為幾個階段。首先，PC 機通過應(yīng)用程序送r1 ,r2 ,s1和s2 .而后，由驅(qū)動程序中的定點化程序?qū)⑾禂?shù)進行定點化，后通過PCI9054把式（2）中k1 ,k2 ,k3 ,r1 ,r2 ,s1 ,s2 和移位參數(shù)bit1 ,bit2 ,bit3 送到FPGA的內(nèi)部寄存器中。這樣，F(xiàn)PGA中嵌入的圖像增強算法模塊就能從SDRAM 中取出原始圖像數(shù)據(jù)進行增強，并把經(jīng)處理后的圖像數(shù)據(jù)存回SDRAM中。圖像增強模塊首先取回數(shù)據(jù)，對取回的數(shù)據(jù)進行判斷，把圖像數(shù)據(jù)分為3個區(qū)間。并做相應(yīng)的減法。結(jié)果跟定點后的系數(shù)進行定點乘法，之后將結(jié)果數(shù)據(jù)進行移位操作，然后通過累加輸出結(jié)果。常用的并行處理有兩種最基本的連接模式：流水線連接和并行陣列連接。針對該算法，采用流水線連接方式進行。在流水線結(jié)構(gòu)中，一個大任務(wù)被分解成復(fù)雜性大致相同的小任務(wù)，各小任務(wù)在流水線上同時執(zhí)行，整個任務(wù)的速度取決于執(zhí)行時間最長的子任務(wù)的執(zhí)行時間。在本論文設(shè)計中把增強算法模塊化分成判斷模塊，減法模塊，乘法模塊，移位模塊和累加模塊，并將其進行流水連接。算法邏輯框圖如圖3所示。

Cyclone器件中的M4K 塊支持軟乘法器，在設(shè)計中采用ALTERA的IP實現(xiàn)。乘法器的IP核如圖4所示。

2.2.2 FPGA算法調(diào)試結(jié)果分析

通過SignalTap抓取圖像值為0×08的圖像增強算法的調(diào)試結(jié)果見圖5.系數(shù)k1 為1,bit1 為4時，圖像經(jīng)算法后的像素值image_data_out為1,符合算法結(jié)果正確。

3 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了一款以FPGA 為核心控制芯片的嵌入式圖像采集卡。采集卡以FPGA 為邏輯和算法實現(xiàn)的核心器件，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)意義上的圖像采集，而且實現(xiàn)了CCD 相機控制和激光器同步曝光功能，打破了以往單純靠增加硬件設(shè)備實現(xiàn)同步控制的方法，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)并節(jié)約系統(tǒng)成本。此外，在系統(tǒng)中嵌入了圖像增強算法和采用PCI接口與計算機連接滿足了高速采集的要求。根據(jù)所選芯片的自身特點，設(shè)計了相關(guān)的圖像增強算法。用VHDL和原理圖結(jié)合的方法對FPGA 進行編程，實現(xiàn)了圖像采集系統(tǒng)的各個功能模塊。在FPGA內(nèi)嵌入了圖像增強集成系統(tǒng)，用硬件并行處理實現(xiàn)，經(jīng)仿真該法效果很好。（作者：李雅莉，彭平良）