基于FPGA的高分辨率图像DCT域增强.doc

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基于FPGA的高分辨率图像DCT域增强
唐 矗1’2,曹剑中1,刘 波3
( 陕西西安 710119; 1up是一种基于DCT 变换的有损压缩算法。与原始图像相比,JPEG压缩图 像的影像质量在多数情况下都是可以接受的心]。本文 中的图像压缩处理器采用FPGA,实现了JPEG基线压 缩算法。对于基于FPGA硬件实现复杂图像的高速增 强处理,采用运算复杂或是单一不变的处理方式都难以 适应要求。所以在基于DCT域对比度测度图像增强 算法阳|的基础上,本文采用改进自适应图像增强算法, 通过对DCT系数进行计算分类,直接对DCT系数进 行操作,对不同类型的DCT矩阵进行不同强度的自适 应增强。
基于压缩域实现图像的增强,首先,不会影响图像 压缩的性能;其次,不需要对图像进行其他的变换与反 变换,降低了算法的复杂度;最后,量化后的DCT系数 矩阵中存在很多零值,相对降低了硬件实现时的运算量 和存储需求。在不影响原始图像压缩性能的情况下,能 增强而带来压缩图像的块效应。
万方数据
这里的图像增强方法具有较好的效果和较低的复 杂度,适合于硬件的实现。在研究改进传统图像增强算 法的基础上,在FPGA上实现fr可直接嵌入JPEG压
缩流程的自适应图像增强处理器。下面对算法的FP一 (;人实现进行了洋细的介绍。 1图像增强原理
图像增强原理
为了压缩图像的动态范围,增强图像局部对比度,
可采用对DCT变换矩阵中系数进行处理的方法。 DCT变换可表示为:
“,=掣奎∑“严s[(2i+1k兀/16]. ‘
…0=0
cos[(2J+1z7c/16]
(1
式中:是。l一0,l,2,…,7,且:
(.(惫:j1/√2,
if忌=0
(2
lI,
otherwise
对于DCT变换矩阵,如下式所示:
i-d。,fl
d¨l dn2
d。l
d,】1I∥¨
d11d】2dI
3
d144∽ d2l d22
dz3(,2l D—
d¨
d31d10d d:d_j
dil
d自d6I
d 7¨
(,i1
d32
d33
d34
d 42
:d41d。?
d∞ djl “^。 √朝 d¨(,i?
dn
“7l
式中:左上角的d。。代表DC系数,实质上是图像中 每个8×8块值的平均,可以看作是照度分量;矩阵中越 向#i下方的分量越代表递增水平和垂直的空问频率分 量。这种空间频率特性为在DCT域定义对比度测度 提供了一种途径。已知人类视觉分辨依赖于高频成分
ICT矩阵频带中高频分量与低频分量之比。
f,。一E。/>:E
(3
式中:E。为第订个频带的平均幅度:
Et一(y
l以.,1/N
(4
N一/f+1,
‘<8
(5
114一卜卜】。 ,≥8
设原始图像块的对比度为f一(Cj“’:.…“,.‰C是
财应E,,频带的对比度;另设增强后DCT矩阵块的对比 度为c’一(f,,c!,…。“。如果足增强所有频带的对比 度,则(,,=知。由此,根据式(3有:
瓦/y E一一C,j—Ac,,一AE。/∑E,
(6
,一0
f一0
式(6可表示为:
’E。一AH。E¨
竹≥1
(7
rl
"1
式中:H。一∑E/1∑E,,,2≥1。
,z
,=0
通过式(7,可得到增强后的DCT系数为:
d¨一AH抖fd¨,是+l≥1
(8
H,,(”一1。2,…,14可以通过递归的方式算出。
算法的应用与改进
人眼对不同类型区域的细节变化敏感程度不同,所
以对不同区域的图像应考虑增强方式的区别。图像中 细节非常丰富,对于图像复杂区域会有掩盖效应,块效
应不会很明显,因此可以着重加强。边沿区也是人眼能 敏锐感知的部分,也需要进行增强。对平坦区,因为细 节少,增强后块效应很明显,所以不需要增强,这样可以
减少平坦区域块效应的出现。对于整个图像,将DCT 系数块分成直流部分、低频部分、中频部分和高频部分。 各部分系数绝对值之和的分布可以作为平坦区、边沿区
和纹理区的判据。通过改进,算法对不同类型的DCT 系数矩阵增强过程中取不同的A值,以达到对不同区域 不同特性图像内容自适应增强的目的。
图1中实线框表示JPEG压缩的流程原理框图。 在编码过程中,输入的原始图像被分为多个相互不重叠 的8×8子块,JPEG对每个小块进行二维DCT变换.
在得到DCT系数后应用指定的量化表对其进行量化, 量化是一个有损的过程。之后对DCT系数矩阵进行 之字形扫描