CN109102474A - 一种兼具图像增强功能的图像处理***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具图像增强功能的图像处理***及方法，包括图像增强电路、图像压缩电路、图像显示电路、图像传感器，图像传感器连接图像增强电路，图像增强电路通过总线模块与图像压缩电路相连接，图像压缩电路连接图像显示电路；图像增强电路采用可编程逻辑电路搭建，在可编程逻辑电路上还连接有随机存储器A；能够在进行图像信号处理的过程中，进一步的实现图像增强处理，特别是在处理窄频带的图像时收到了非常好的效果，在此基础上还能够对图像数据进行无损压缩处理，使得整个***在进行图像数据传输时，能够优化传输的数据量的同时，又能够清晰的还原原始图像，有效的做到了在低数据量传输的同时保障了图像的质量。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术等领域，具体的说，是一种兼具图像增强功能的图像处理***及方法。
背景技术
图像处理(image processing)，用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的技术。又称影像处理。图像处理一般指数字图像处理。数字图像是指用工业相机、摄像机、扫描仪等设备经过拍摄得到的一个大的二维数组，该数组的元素称为像素，其值称为灰度值。图像处理技术一般包括图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别3个部分。
21世纪是一个充满信息的时代，图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。数字图像处理，即用计算机对图像进行处理，其发展历史并不长。数字图像处理技术源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。首先数字图像处理技术可以帮助人们更客观、准确地认识世界，人的视觉***可以帮助人类从外界获取3/4以上的信息，而图像、图形又是所有视觉信息的载体，尽管人眼的鉴别力很高，可以识别上千种颜色，但很多情况下，图像对于人眼来说是模糊的甚至是不可见的，通过图象增强技术，可以使模糊甚至不可见的图像变得清晰明亮。
在计算机中，按照颜色和灰度的多少可以将图像分为二值图像、灰度图像、索引图像和真彩色RGB图像四种基本类型。大多数图像处理软件都支持这四种类型的图像。
常用图像方法包括：
1)图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理(如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理)。目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。
2)图像编码压缩：图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量(即比特数)，以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。
3)图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程建立“降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。
4)图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。
5)图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。
6)图像分类(识别)：图像分类(识别)属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理(增强、复原、压缩)后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法(结构)模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。
图像增强的目标是改进图片的质量，例如增加对比度，去掉模糊和噪声，修正几何畸变等；图像复原是在假定已知模糊或噪声的模型时，试图估计原图像的一种技术。
图像增强按所用方法可分成频率域法和空间域法。前者把图像看成一种二维信号，对其进行基于二维傅里叶变换的信号增强。采用低通滤波(即只让低频信号通过)法，可去掉图中的噪声；采用高通滤波法，则可增强边缘等高频信号，使模糊的图片变得清晰。具有代表性的空间域算法有局部求平均值法和中值滤波(取局部邻域中的中间像素值)法等，它们可用于去除或减弱噪声。
早期的数字图像复原亦来自频率域的概念。现代采取的是一种代数的方法，即通过解一个大的方程组来复原理想的图片。
以提高图像质量为目的的图像增强和复原对于一些难以得到的图片或者在拍摄条件十分恶劣情况下得到的图片都有广泛的应用。例如从太空中拍摄到的地球或其他星球的照片，用电子显微镜或X光拍摄的生物医疗图片等。
图像增强，使图像清晰或将其转换为更适合人或机器分析的形式。与图像复原不同，图像增强并不要求忠实地反映原始图像。相反，含有某种失真(例如突出轮廓线)的图像可能比无失真的原始图像更为清晰。常用的图像增强方法有：①灰度等级直方图处理：使加工后的图像在某一灰度范围内有更好的对比度；②干扰抑制：通过低通滤波、多图像平均、施行某类空间域算子等处理，抑制叠加在图像上的随机性干扰；③边缘锐化：通过高通滤波、差分运算或某种变换，使图形的轮廓线增强；④伪彩色处理：将黑白图像转换为彩色图像，从而使人们易于分析和检测图像包含的信息。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种兼具图像增强功能的图像处理***及方法，所述图像处理***，能够在进行图像信号处理的过程中，进一步的实现图像增强处理，特别是在处理窄频带的图像时收到了非常好的效果，在此基础上还能够对图像数据进行无损压缩处理，使得整个***在进行图像数据传输时，能够优化传输的数据量的同时，又能够清晰的还原原始图像，有效的做到了在低数据量传输的同时保障了图像的质量；在图像处理***的基础上所形成的图像处理方法对图像的均衡效果更为明显一些，而且由于展宽了频带，图像的细节更加丰富，图像更加明艳和清晰。
本发明通过下述技术方案实现：一种兼具图像增强功能的图像处理***，包括图像增强电路、图像压缩电路、图像显示电路、图像传感器，图像传感器连接图像增强电路，图像增强电路通过总线模块与图像压缩电路相连接，图像压缩电路连接图像显示电路；图像增强电路采用可编程逻辑电路搭建，在可编程逻辑电路上还连接有随机存储器A。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：在所述可编程逻辑电路内主要构建有脉冲计数器、地址生成器、加法电路、通道切换电路、读写控制电路、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B及减法电路，所述图像传感器与加法电路相连接，加法电路与通道切换电路相连接，通道切换电路分别与减法电路及读写控制电路相连接，读写控制电路连接随机存储器A；脉冲计数器分别与地址生成器、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B、通道切换电路及读写控制电路相连接，地址生成器连接随机存储器A，随机存储器A连接减法电路，逻辑选通电路A和逻辑选通电路B皆与减法电路相连接，减法电路连接通道切换电路和读写控制电路。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：所述加法电路内设置有数据寄存器和加法器，所述图像传感器连接数据寄存器，数据寄存器连接加法器和读写控制电路，加法器连接通道切换电路；所述减法电路内设置有基地址寄存器、寄存器及减法器，所述随机存储器A连接基地址寄存器，基地址寄存器与减法器相连接，减法器与通道切换电路相连接，逻辑选通电路A连接基地址寄存器，逻辑选通电路B连接寄存器，通道切换电路与寄存器相连接，寄存器与减法器相连接，寄存器还与读写控制电路相连接。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：所述图像压缩电路内设置有FPGA电路、存储器、PROM、随机存储器B、数字信号处理模块，FPGA电路分别与总线模块、存储器、PROM、随机存储器B及图像显示电路相连接，数字信号处理模块与FPGA电路相连接。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：在所述数字信号处理模块内设置有相互连接的4个数字信号处理器，且在每一个数字信号处理器上扩展有一个随机存储器，每一个数字信号处理器皆与FPGA电路相连接；优选的4个数字信号处理器分别为相互连接的第一数字信号处理器、第二数字信号处理器、第三数字信号处理器和第四数字信号处理器。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：在所述FPGA电路内搭建有主控制电路、前端扩展电路、外部存储器控制器、下行缓存器、上行缓存器、数据接口、数据预处理单元、上行BRAM、下行BRAM及接口控制电路，主控制电路通过前端扩展电路与总线模块相连接，主控制电路通过外部存储器控制器与存储器相连接，主控制电路分别通过下行缓存器和上行缓存器连接数据接口，数据接口连接图像显示电路，数据预处理单元连接柱主控制电路上，所述PROM与主控制电路相连接，主控制电路分别与上行BRAM和下行BRAM相连接，上行BRAM和下行BRAM皆与接口控制电路相连接，接口控制电路连接数字信号处理模块。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：在所述FPGA电路内还搭建有后端扩展电路，后端扩展电路通过总线模块连接有接口转换电路，在接口转换电路上连接有上位机。
进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，特别采用下述设置方式：所述图像显示电路内设置有解码电路和显示器电路，所述图像压缩电路连接解码电路，解码电路连接显示器电路；还包括与可编程逻辑电路相连接的***电路及网络接口电路，优选的网络接口电路包括以太网接口、WiFi接口；优选的数据接口与解码电路相连接，显示器电路采用LED液晶显示器。
一种兼具图像增强功能的图像处理方法，采用一种兼具图像增强功能的图像处理***实现：包括以下具体步骤：
1)图像传感器采集图像并传输至图像增强电路内进行图像增强算法处理；
在进行图像增强算法处理时，结合外部时钟EXCLK在可编程逻辑电路内实现图像增强算法处理，具体流程为：
1.1)在图像传感器的时钟到来时，从图像传感器的数据输出口采集数据Yi,j，并实现加法运算RESULT＝Yi,j+Yi,j，同时用EXCLK的第0个时钟向随机存储器A写入Y’i-1,j；
1.2)在EXCLK的第一个时钟锁存RESULT，由随机存储器读入Yi,j-1，并做减法运算RESULT＝RESULT－Yi，j-1；
1.3)在EXCLK的第2个时钟锁存RESULT，由随机存储器A读入Yi-1，j，并做减法运算RESULT＝RESULT－Yi-1,j；
1.4)在EXCLK的第3个时钟锁存RESULT，同时写入Yi,j；然后开始下一个点的运算；
所述减法器在EXCLK的第1和第2个时钟分别读入Yi，j-1和Yi-1,j进行减法运算，并把结果存回寄存器中；由于两次减法在时间上是错开的，因此只需要一个减法器就够了，节约了内部资源。
所述脉冲计数器进行读写时序和运算时序的控制；通道切换电路控制流入寄存器的数据流在第一个EXCLK时钟让加法器的结果进入寄存器，其余的时间都让减法器的结果进入寄存器；
所述逻辑选通电路A允许第1个和第2个时钟通过，用来锁存从随机存储器A读入的数据；
所述逻辑选通电路B允许第1、2、3个时钟通过，用来锁存三次运算的结果；
随机存储器A的读写操作由地址生成器和读写控制电路共同实现；优选的，由于4次读写操作的地址都不同，且不连续，无法用普通的地址计数器实现。这里采用地址计数器加偏移的相对寻址法。
2)经过增强处理后的图像数据进一步利用图像压缩电路进行压缩处理传输；
3)压缩传输处理后的图像数据利用图像显示电路无损还原为原始图像。
进一步的为更好地实现本发明所述的一种兼具图像增强功能的图像处理方法，特别采用下述设置方式：所述步骤3)包括以下具体步骤：
3.1)经过图像之前处理后的数据利用前端控制电路输送至主控制电路内；
3.2)主控制电路通过上行BRAM、下行BRAM、接口控制电路及数字信号处理模块进行图像无损压缩算法处理；
3.3)进行无损算法处理后的图像数据将利用下行缓存器、上行缓存器及数据接口的配合传输至解码电路内；
3.4)解码电路对所得数据进行解码处理，而后传输至显示器电路内进行图像还原，在显示器电路内的显示器上展现出所得图像；
在进行图像无损压缩算法处理时，还通过主控制电路和数据预处理单元的配合进行图像数据预处理，从而使得数字信号处理模块与FPGA之间的数据处理性能得到进一步的提高。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明所述图像处理***，能够在进行图像信号处理的过程中，进一步的实现图像增强处理，特别是在处理窄频带的图像时收到了非常好的效果，在此基础上还能够对图像数据进行无损压缩处理，使得整个***在进行图像数据传输时，能够优化传输的数据量的同时，又能够清晰的还原原始图像，有效的做到了在低数据量传输的同时保障了图像的质量。
(2)本发明在图像处理***的基础上所形成的图像处理方法对图像的均衡效果更为明显一些，而且由于展宽了频带，图像的细节更加丰富，图像更加明艳和清晰。
(3)本发明在进行图像增强处理时，对于连续图像的局部边缘可由对应空间梯度的幅值，取其一阶近似值，而后得到边缘信息的修正，修正后边缘值的变化更为强烈，边缘更为突出，可达到边缘增强的效果。
(4)本发明在进行图像增强处理时，由于在原图像上叠加了梯度值，使得修正后的图像的频谱有一定的扩展。但由于没有对Yi,j的取值作约束，这样处理后的象素值可能会溢出，为此，采用预拉伸加饱和/截止的方法，在不牺牲频率特性的基础上达到减少计算量的目的。
(5)本发明在进行图像压缩处理时，4片DSP构成并行的运算子模块。4片DSP利用链路口点对点互联，并且每片DSP分别通过一个链路口与FPGA相连。FPGA负责运算子模的任务和数据交互管理工作。此种拓扑结构使得各DSP以及DSP与FPAG间都能实现高速互联，且增强了数据流的灵活性，可实现按任务划分的流水并行计算，也可实现按数据划分的分布式并行计算。
(6)本发明所述图像压缩电路中，每片DSP都外挂随机存储器作为外部存储空间，利用随机存储器的地址映射空间和外部接口，借助外部存储器控制器可轻松实现无缝连接，满足大量数据实时处理过程中的存储需求。DSP采用EPROM和链路口相结合的程序引导和加载方式，外挂1片存储器(优选采用Flash)，使得其他DSP采用链路口形式，这种设计避免了给每片DSP配备Flash，降低了功耗和电路面积。
附图说明
图1为本发明原理框图。
图2为本发明所述可编程逻辑电路内部原理框图。
图3为本发明所述图像压缩电路原理框图。
图4为本发明所述FPGA电路原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本发明提出了一种兼具图像增强功能的图像处理***，能够在进行图像信号处理的过程中，进一步的实现图像增强处理，特别是在处理窄频带的图像时收到了非常好的效果，在此基础上还能够对图像数据进行无损压缩处理，使得整个***在进行图像数据传输时，能够优化传输的数据量的同时，又能够清晰的还原原始图像，有效的做到了在低数据量传输的同时保障了图像的质量，如图1～图4所示，特别采用下述设置结构：包括图像增强电路、图像压缩电路、图像显示电路、图像传感器，图像传感器连接图像增强电路，图像增强电路通过总线模块与图像压缩电路相连接，图像压缩电路连接图像显示电路；图像增强电路采用可编程逻辑电路搭建，在可编程逻辑电路上还连接有随机存储器A。
作为优选的设计方案，在所述的图像处理***内设置有图像传感器、图像增强电路、图像压缩电路及图像显示电路，其中，图像传感器用于对图像数据进行采集，优选采用CMOS的数字图像传感器，并将采集所得的数字图像信号传输至图像增强电路内进行边缘增强、模糊部分增强等处理，而后将经过图像增强处理后的图像数据信号利用总线模块采用数据总线传输的方式传输至图像压缩电路内进行无损压缩处理，在该图像处理***的具体设置上采用先增强后压缩的处理模式，能够在最优图像数据的情况下实现无损压缩，从而克服了现有技术先进行图像压缩后进行图像增强的模式中索存在的数据处理类芯片的性能损耗过高的不足之处；当经过无损压缩处理后，在低数据量传输的情况下，能够将图像数据传输至图像显示电路内进行图像数据的还原，使得图像能够高保真的再现；在设置时，优选的图像增强电路采用可编程逻辑电路(CPLD)进行搭建，进一步的为通过CPLD的数据处理性能，在CPLD上还扩展了一优选采用SRAM的随机存储器。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步的优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：在所述可编程逻辑电路内主要构建有脉冲计数器、地址生成器、加法电路、通道切换电路、读写控制电路、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B及减法电路，所述图像传感器与加法电路相连接，加法电路与通道切换电路相连接，通道切换电路分别与减法电路及读写控制电路相连接，读写控制电路连接随机存储器A；脉冲计数器分别与地址生成器、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B、通道切换电路及读写控制电路相连接，地址生成器连接随机存储器A，随机存储器A连接减法电路，逻辑选通电路A和逻辑选通电路B皆与减法电路相连接，减法电路连接通道切换电路和读写控制电路。
作为优选的设置方案，在所述可编程逻辑电路内主要搭建有脉冲计数器、地址生成器、加法电路、通道切换电路、读写控制电路、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B及减法电路，为了实现实时的读写和运算，将由***电路产生12～24MHz*4的EXCLK时钟作为读写时钟，优选的采用18MHz*4的EXCLK时钟，所有时序都由CMOS时钟(图像传感器匹配的时钟信号)和EXCLK时钟控制，可以做到完全同步。
脉冲计数器进行读写时序和运算时序的控制，与地址生成器相连接，***电路所产生的EXCLK时钟作为读写时钟，分别为脉冲计数器、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B提供所需；
通道切换电路控制流入寄存器的数据流在第一个EXCLK时钟让加法器的结果进入寄存器，其余的时间都让减法器的结果进入寄存器；
逻辑选通电路A和逻辑选通电路B对EXCLK时钟起门控作用，所述逻辑选通电路A允许第1个和第2个时钟通过，用来锁存从随机存储器A读入的数据；
所述逻辑选通电路B允许第1、2、3个时钟通过，用来锁存三次运算的结果；
随机存储器A(优选采用SRAM)的读写操作由地址生成器和读写控制电路共同实现；优选的，由于4次读写操作的地址都不同，且不连续，无法用普通的地址计数器实现。这里采用地址计数器加偏移的相对寻址法。
地址生成器中保存Yi,j的地址，它由CMOS时钟实现累加；偏移地址则由脉冲计数器控制，分别选择Yi,j、Y’i-1,j、Yi，j-1、Yi-1，j的偏移地址；最后做减法运算得到绝对地址送到随机存储器A。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：所述加法电路内设置有数据寄存器和加法器，所述图像传感器连接数据寄存器，数据寄存器连接加法器和读写控制电路，加法器连接通道切换电路；所述减法电路内设置有基地址寄存器、寄存器及减法器，所述随机存储器A连接基地址寄存器，基地址寄存器与减法器相连接，减法器与通道切换电路相连接，逻辑选通电路A连接基地址寄存器，逻辑选通电路B连接寄存器，通道切换电路与寄存器相连接，寄存器与减法器相连接，寄存器还与读写控制电路相连接。
作为优选的设计方案，在所述加法电路内设置有数据寄存器和加法器，所述图像传感器连接数据寄存器，图像传感器索采集的图像数据转换为数字信号后传输至数据寄存器内，在CMOS时钟的配合下，生成位数为8位数据(Yi,j)，而后在加法器中实现2*Yi,j运算，输出9位的运算结果并交给减法电路；数据寄存器连接加法器和读写控制电路，加法器连接通道切换电路；所述减法电路内设置有基地址寄存器、寄存器及减法器，所述随机存储器A连接基地址寄存器，基地址寄存器与减法器相连接，减法器与通道切换电路相连接，逻辑选通电路A连接基地址寄存器，逻辑选通电路B连接寄存器，通道切换电路与寄存器相连接，基地址寄存器和寄存器皆与减法器相连接，寄存器还与读写控制电路相连接；减法器在EXCLK的第1和第2个时钟分别读入Yi，j-1和Yi-1,j进行减法运算，并把结果存回寄存器中；由于两次减法在时间上是错开的，因此只需要一个减法器就够了，节约了内部资源。
脉冲计数器采用4位计数器，进行读写时序和运算时序的控制，与地址生成器相连接，***电路所产生的EXCLK时钟作为读写时钟，分别为脉冲计数器、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B提供所需；
通道切换电路控制流入寄存器的数据流在第一个EXCLK时钟让加法器的结果进入寄存器，其余的时间都让减法器的结果进入寄存器；
逻辑选通电路A和逻辑选通电路B对EXCLK时钟起门控作用，所述逻辑选通电路A允许第1个和第2个时钟通过，用来锁存从随机存储器A读入的数据；
所述逻辑选通电路B允许第1、2、3个时钟通过，用来锁存三次运算的结果；
随机存储器A(优选采用SRAM)的读写操作由地址生成器和读写控制电路共同实现；优选的，由于4次读写操作的地址都不同，且不连续，无法用普通的地址计数器实现。这里采用地址计数器加偏移的相对寻址法。
地址生成器中保存Yi,j的地址，它由CMOS时钟实现累加；偏移地址则由脉冲计数器控制，分别选择Yi,j、Y’i-1,j、Yi，j-1、Yi-1，j的偏移地址；最后做减法运算得到绝对地址送到随机存储器A。
优选的CPLD采用MAX7000S(E)系列器件。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：所述图像压缩电路内设置有FPGA电路、存储器、PROM、随机存储器B、数字信号处理模块，FPGA电路分别与总线模块、存储器、PROM、随机存储器B及图像显示电路相连接，数字信号处理模块与FPGA电路相连接。
作为优选的设计方案，FPGA主要实现外部接口、逻辑控制和时序控制等功能，并承担部分数据处理工作，采用具有较大的存储空间，支持PCIE接口设计，具备较多的逻辑资源实现图像预处理功能，并具有足够的I/O口为FPGA管理多片DSP提供管脚支持的XC6SLX4；进一步的，为实现图像的无损压缩要求，选用的DSP要具有很强的定点和浮点运算能力；要具有高性能的互联接口；支持DSP之间、DSP与FPGA之间建立高速的数据通道；并且具有较大的内部存储空间，适应图像压缩过程中大量中间数据的高速缓存，优选采用ADI的TS201S型DSP处理器。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：在所述数字信号处理模块内设置有相互连接的4个数字信号处理器，且在每一个数字信号处理器上扩展有一个随机存储器(优选采用SRAM)，每一个数字信号处理器皆与FPGA电路相连接；优选的4个数字信号处理器分别为相互连接的第一数字信号处理器、第二数字信号处理器、第三数字信号处理器和第四数字信号处理器。
为实现大规模运算的高速执行，可以借助多个处理单元同时运行来减少任务执行时间，优选的采用并行技术进行实现，每片DSP通过独立的接口连接到FPGA，这样就能避免多个DSP同时访问FPGA时的数据冲突，TS201S可提供4路链路口，在采用4位并行方式传输时，可支持高达1.2GB/s的双向吞吐率；数据通信可由处理器核控制，也可由DMA控制器控制，而不需要占用处理器资源，这能为FPGA与DSP、DSP与外部存储器以及DSP与DSP之间的高速数据传输提供便利，解决在数据密集型处理中这一制约***整体性能的问题。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：在所述FPGA电路内搭建有主控制电路、前端扩展电路、外部存储器控制器、下行缓存器、上行缓存器、数据接口、数据预处理单元、上行BRAM、下行BRAM及接口控制电路，主控制电路通过前端扩展电路与总线模块相连接，主控制电路通过外部存储器控制器与存储器相连接，主控制电路分别通过下行缓存器和上行缓存器连接数据接口，数据接口连接图像显示电路，数据预处理单元连接柱主控制电路上，所述PROM与主控制电路相连接，主控制电路分别与上行BRAM和下行BRAM相连接，上行BRAM和下行BRAM皆与接口控制电路相连接，接口控制电路连接数字信号处理模块。
所述FPGA，作为逻辑控制中心，主要实现以下几个功能：1、数据解包、切分、串/并转换、打包、分发等数据管理功能；2、数据缓存，利用随机存储器B乒乓作业的工作方式实现数据无缝缓存；3、快速流水协议，实现与TS201S链路口进行高速通信；4、数据预处理功能，利用内部DSP和逻辑资源实现数据预处理，发挥FPGA并行处理的运算优势。
在使用时，***的高效运行还依赖于高效的数据收发机制。DSP通过接口控制电路与FPGA通信，实现原始图像数据的接收和压缩码流的发送。假如进行数据接收时，DSP中分配了3个缓存空间：input_1、input_2和input，其中，input_1和input_2以乒乓作业的方式缓存接收数据，input用于缓存预处理后的图像数据，以备后续压缩处理。在接收数据时，DSP接收到FPGA的发送指令，便开启接口控制电路接收数据到接口控制电路中，在接收到指定数据量后，接口控制电路自动开启DMA传输，将数据转移到input_1中，并关闭接口控制电路，以防止接收到错误数据。此后，DSP对input_1中的数据进行数据类型转换等预处理，然后转存到input缓存区中。考虑到接口控制电路接收、DMA传输均需要耗时，而又可以不需要内核参与，因此，设计了双通道乒乓(上行BRAM和下行BRAM配合)作业的接收方式，这样在数据的突发传输任务中，可以配置好参数交给接口控制电路和DMA来独立完成，从而解放出内核的逻辑计算单元，使之专注于运算和判断。DSP内核在监测到本次DMA传输完成后，首先交换DMA接收端的选择指针，指向input_2，再开启接口控制电路，便可以利用内核进行预处理操作了。处理过程中如果有新数据到来，硬件会自动完成接收操作并更改状态标识，内核只需要在完成当前处理后，查询其状态标识便可知道数据是否已经接收完成。如此循环，便可实现图像数据的快速接收。
在使用时，FPGA通过前端扩展电路接收结构图像增强处理后的图像数据，解析包头获取任务信息并进行串/并转换、数据缓存、数据切分、将数据分发给数字信号处理模块(DSP1、DSP2、DSP3、DSP4)。DSP内的压缩处理以图像块为单位，在完成当前图像块数据的接收后，开始压缩处理并将压缩码流实时回传至FPGA，FPGA接收各DSP发送的压缩数码流数据包，再以图像块为单位进行码流重组、缓存，最终通过数据接口、下行缓存器、上行缓存器传输给解码电路，同时亦可以通过后端扩展电路经由总线模块而后利用接口转换电路直接传输至上位机内进行展示，使得使用者能够在远程进行管理或存储等操作。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：在所述FPGA电路内还搭建有后端扩展电路，后端扩展电路通过总线模块连接有接口转换电路，在接口转换电路上连接有上位机，在使用时，上位机能够实现远程管理、控制、存储数据等功能。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述图像处理***，如图1～4所示，特别采用下述设置方式：所述图像显示电路内设置有解码电路和显示器电路，所述图像压缩电路连接解码电路，解码电路连接显示器电路；还包括与可编程逻辑电路相连接的***电路及网络接口电路，优选的网络接口电路包括以太网接口、WiFi接口；优选的数据接口与解码电路相连接，显示器电路采用LED液晶显示器。
在使用时，解码电路将经过图像压缩电路无损压缩后的图像数据进行解码处理，而后利用显示器电路将图像数据进行还原，使得使用者能够在显示器电路内的显示器上清楚的看见索采集的图像，优选的所述图像传感器采用CMOS图像传感器，比如OV7620。
实施例9：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1～4所示，一种兼具图像增强功能的图像处理方法，采用一种兼具图像增强功能的图像处理***实现：包括以下具体步骤：
1)图像传感器采集图像并传输至图像增强电路内进行图像增强算法处理；
在进行图像增强算法处理时，结合外部时钟EXCLK在可编程逻辑电路内实现图像增强算法处理，具体流程为：
1.1)在图像传感器的时钟到来时，从图像传感器的数据输出口采集数据Yi,j，并实现加法运算RESULT＝Yi,j+Yi,j，同时用EXCLK的第0个时钟向随机存储器A写入Y’i-1,j；
1.2)在EXCLK的第一个时钟锁存RESULT，由随机存储器读入Yi,j-1，并做减法运算RESULT＝RESULT－Yi，j-1；
1.3)在EXCLK的第2个时钟锁存RESULT，由随机存储器A读入Yi-1，j，并做减法运算RESULT＝RESULT－Yi-1,j；
1.4)在EXCLK的第3个时钟锁存RESULT，同时写入Yi,j；然后开始下一个点的运算；
所述减法器在EXCLK的第1和第2个时钟分别读入Yi，j-1和Yi-1,j进行减法运算，并把结果存回寄存器中；由于两次减法在时间上是错开的，因此只需要一个减法器就够了，节约了内部资源。
所述脉冲计数器进行读写时序和运算时序的控制；通道切换电路控制流入寄存器的数据流在第一个EXCLK时钟让加法器的结果进入寄存器，其余的时间都让减法器的结果进入寄存器；
所述逻辑选通电路A允许第1个和第2个时钟通过，用来锁存从随机存储器A读入的数据；
所述逻辑选通电路B允许第1、2、3个时钟通过，用来锁存三次运算的结果；
随机存储器A的读写操作由地址生成器和读写控制电路共同实现；优选的，由于4次读写操作的地址都不同，且不连续，无法用普通的地址计数器实现。这里采用地址计数器加偏移的相对寻址法。
2)经过增强处理后的图像数据进一步利用图像压缩电路进行压缩处理传输；
3)压缩传输处理后的图像数据利用图像显示电路无损还原为原始图像。
实施例10：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步的优化，如图1～4所示，进一步的为更好地实现本发明所述的一种兼具图像增强功能的图像处理方法，特别采用下述设置方式：所述步骤3)包括以下具体步骤：
3.1)经过图像之前处理后的数据利用前端控制电路输送至主控制电路内；
3.2)主控制电路通过上行BRAM、下行BRAM、接口控制电路及数字信号处理模块进行图像无损压缩算法处理；
3.3)进行无损算法处理后的图像数据将利用下行缓存器、上行缓存器及数据接口的配合传输至解码电路内；
3.4)解码电路对所得数据进行解码处理，而后传输至显示器电路内进行图像还原，在显示器电路内的显示器上展现出所得图像；
在进行图像无损压缩算法处理时，还通过主控制电路和数据预处理单元的配合进行图像数据预处理，从而使得数字信号处理模块与FPGA之间的数据处理性能得到进一步的提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：包括图像增强电路、图像压缩电路、图像显示电路、图像传感器，图像传感器连接图像增强电路，图像增强电路通过总线模块与图像压缩电路相连接，图像压缩电路连接图像显示电路；图像增强电路采用可编程逻辑电路搭建，在可编程逻辑电路上还连接有随机存储器A。
2.根据权利要求1所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：在所述可编程逻辑电路内主要构建有脉冲计数器、地址生成器、加法电路、通道切换电路、读写控制电路、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B及减法电路，所述图像传感器与加法电路相连接，加法电路与通道切换电路相连接，通道切换电路分别与减法电路及读写控制电路相连接，读写控制电路连接随机存储器A；脉冲计数器分别与地址生成器、逻辑选通电路A、逻辑选通电路B、通道切换电路及读写控制电路相连接，地址生成器连接随机存储器A，随机存储器A连接减法电路，逻辑选通电路A和逻辑选通电路B皆与减法电路相连接，减法电路连接通道切换电路和读写控制电路。
3.根据权利要求2所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：所述加法电路内设置有数据寄存器和加法器，所述图像传感器连接数据寄存器，数据寄存器连接加法器和读写控制电路，加法器连接通道切换电路；所述减法电路内设置有基地址寄存器、寄存器及减法器，所述随机存储器A连接基地址寄存器，基地址寄存器与减法器相连接，减法器与通道切换电路相连接，逻辑选通电路A连接基地址寄存器，逻辑选通电路B连接寄存器，通道切换电路与寄存器相连接，寄存器与减法器相连接，寄存器还与读写控制电路相连接。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：所述图像压缩电路内设置有FPGA电路、存储器、PROM、随机存储器B、数字信号处理模块，FPGA电路分别与总线模块、存储器、PROM、随机存储器B及图像显示电路相连接，数字信号处理模块与FPGA电路相连接。
5.根据权利要求4所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：在所述数字信号处理模块内设置有相互连接的4个数字信号处理器，且在每一个数字信号处理器上扩展有一个随机存储器，每一个数字信号处理器皆与FPGA电路相连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：在所述FPGA电路内搭建有主控制电路、前端扩展电路、外部存储器控制器、下行缓存器、上行缓存器、数据接口、数据预处理单元、上行BRAM、下行BRAM及接口控制电路，主控制电路通过前端扩展电路与总线模块相连接，主控制电路通过外部存储器控制器与存储器相连接，主控制电路分别通过下行缓存器和上行缓存器连接数据接口，数据接口连接图像显示电路，数据预处理单元连接柱主控制电路上，所述PROM与主控制电路相连接，主控制电路分别与上行BRAM和下行BRAM相连接，上行BRAM和下行BRAM皆与接口控制电路相连接，接口控制电路连接数字信号处理模块。
7.根据权利要求6所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：在所述FPGA电路内还搭建有后端扩展电路，后端扩展电路通过总线模块连接有接口转换电路，在接口转换电路上连接有上位机。
8.根据权利要求1~3，5，7任一项所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***，其特征在于：所述图像显示电路内设置有解码电路和显示器电路，所述图像压缩电路连接解码电路，解码电路连接显示器电路；还包括与可编程逻辑电路相连接的***电路及网络接口电路。
9.一种兼具图像增强功能的图像处理方法，采用如权利要求1~8任一项所述的一种兼具图像增强功能的图像处理***实现，其特征在于：包括以下具体步骤：
1）图像传感器采集图像并传输至图像增强电路内进行图像增强算法处理；
2）经过增强处理后的图像数据进一步利用图像压缩电路进行压缩处理传输；
3）压缩传输处理后的图像数据利用图像显示电路无损还原为原始图像。
10.根据权利要求9所述的一种兼具图像增强功能的图像处理方法，其特征在于：所述步骤3）包括以下具体步骤：
3.1）经过图像之前处理后的数据利用前端控制电路输送至主控制电路内；
3.2）主控制电路通过上行BRAM、下行BRAM、接口控制电路及数字信号处理模块进行图像无损压缩算法处理；
3.3）进行无损算法处理后的图像数据将利用下行缓存器、上行缓存器及数据接口的配合传输至解码电路内；
3.4）解码电路对所得数据进行解码处理，而后传输至显示器电路内进行图像还原，在显示器电路内的显示器上展现出所得图像。
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Application publication date: 20181228 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |