1、圖像增強IP簡介

Xilinx的Vivado中集成的圖像增強（Image Enhancement）IP可以有效降低圖像噪聲并增強圖像邊緣。該IP使用了2D濾波方式，可以在達到更好的圖像噪聲抑制同時，保留并增強圖像邊緣。

如圖所示，對于一個比較經典的圖像前端處理，圖像增強常常也是一個必不可少的步驟。在我們這個實例中，我們需要設計一個右側圖示紅圈內的圖像流處理。即RGB toYCbCr模塊、圖像增強模塊、YCbCrto RGB模塊，這3個模塊都有可用的IP核。

圖像增強IP的功能框圖如下所示。該IP輸入和輸出的圖像數據必須為YUV444或YUV422模式；待處理圖像進入IP后，首先需要多行緩存，然后分別通過降噪（Noise Reduction）模塊和邊緣檢測與增強（Edge Map Morphology和Edge Enhance）模塊。完成處理后的圖像再擬合在一塊，最后會通過可選的光環抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊，完成最終圖像輸出。邊緣增強和噪聲抑制實際上是兩個完全相反的圖像處理方式，為了保證兩個模塊能夠更好的實現增強圖像的效果，在這個IP中，第一步做的是圖像的形態檢測（Edge Map Morphology），然后再根據這個結果，對圖像中需要降噪的部分和邊緣增強的部分分別處理。

1.1 圖像形態檢測

圖像形態學檢測是整個圖像增強的第一步，它用于指示后續需要對圖像進行降噪或邊緣增強操作。圖像形態學檢測主要包括下面兩步：

①經過二維的FIR濾波器，從水平、垂直以及兩個對角共4個維度提取邊緣信息。

②使用拉長、正交的結構單元和形態學處理，用于提供清晰的各個方向邊緣信息。

1.2 降噪處理

降噪處理是基于中心像素點以及特定的臨近像素點的濾波實現的。算法實現類似高斯的定向低通濾波。噪聲門限由IP核的設置決定。圖像形態檢測信息標定出的邊緣不會做任何的降噪處理。

1.3 邊緣增強

IP核設定的邊緣增強參數決定了邊緣增強的幅度。根據邊緣檢測形態信息，邊緣增強模塊對標記處的邊緣做拉普拉斯濾波，實現邊緣增強效果。

1.4 光環抑制與鋸齒消除

光環抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊是可選的功能塊。前面進行噪聲抑制和邊緣增強后的圖像，可能存在圖像邊緣被放大或抑制的情況。光環抑制和鋸齒消除，是通過判斷每個新的像素值與原圖像的像素值以及鄰近8個像素值的比較，以判斷其是否需要進行相應的處理并實現圖像的優化。

如圖所示，原圖（左側）在圖像增強后可能出現光環現象（中間），那么經過光環抑制后圖像（右側）就能夠實現最優化。

2、測試激勵說明

使用at7_img_ex08matlab文件夾下的Matlab源碼image_txt_generation.m產生作為FPGA仿真輸入的測試圖像數據，存儲在image_in_hex.txt中。FPGA仿真測試后，產生圖像增強數據存儲在FPGA_Enhenchment_Image.txt中，使用Matlab的draw_image_from_FPGA_result.m腳本則可以比對圖像增強前后的效果。

3、 IP添加與配置

Vivado的IP Catalog中，Video & Image Processing分類下，可以看到有很多可用的圖像處理IP核。我們需要用到的RGB toYCbCr、Image Enhancement和YCbCrto RGB這3個IP核，都在該分類下可以找到。

3.1 RGB toYCbCr IP配置

Feature配置頁面中，設置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。

Custom配置頁面中，可以看到RGB toYCbCr轉換的基本公式參數。

3.2Image Enhancement IP配置

配置頁面很簡單，設定好圖像位寬8bit，圖像分辨率640*480，圖像噪聲抑制（Image Noise Reduction）水平（取值0~255），圖像邊緣增強（Image Edge Enhancement）水平（取值0~1.0），以及可選的光環抑制（Halo Suppression）和鋸齒消除（Anti-Alias Filtering）。

3.3 YCbCrto RGB IP配置

Feature配置頁面中，設置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。

Custom配置頁面中，可以看到YCbCr to RGB轉換的基本公式參數。

4、FPGA仿真

Vivado打開zstar_ex70工程，在Sources面板中，展開Simulation Sources à sim_1，將at7_image_enhance_sim.v文件設置為top module。點擊Flow Navigator面板的Simulation à Run Simulation打開仿真頁面，matlab產生的原始圖像數據image_in_hex.txt需要放置在at7.sim文件夾下，仿真測試結果位于at7_img_ex08at7.simsim_1ehav文件夾下。

在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.0，Halo Suppression = 0.125時，比對圖像如下。

在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.125，Halo Suppression = 0.75時，比對圖像如下。

在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 1.0，Halo Suppression = 0.75時，比對圖像如下。

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