Studio e progettazione VLSI di un filtro non lineare per l'elaborazione delle immagini

Abstract

La progettazione di sistemi elettronici nel settore dell'image e video processing sta prendendo sempre più campo, data la crescente diffusione sul mercato di apparecchi portatili per l'acquisizione di immagini statiche e video. La realizzazione di sistemi dedicati all'elaborazione delle immagini trova impiego a partire da sistemi industriali e militari di video sorveglianza, fino alle applicazioni di tipo consumer, come videocamere, fotocamere e telefonia di terza generazione. Da non sottovalutare sono anche gli impieghi in attività di tipo automotive e nella robotica. Un particolare settore di interesse per la ricerca scientifica ed industriale è lo studio di tecniche per il miglioramento delle immagini acquisite in condizioni di illuminazione non ottimali. Queste problematiche trovano ampio riscontro nelle applicazioni citate in precedenza. Infatti, per ottenere immagini soddisfacenti, sarebbe necessario regolare continuamente alcuni parametri, si pensi ad esempio al diaframma di una macchina fotografica o alla regolazione del fuoco. Questi sistemi cercano di riprodurre alcune capacità dell'apparato visivo umano, che di per sé è un sistema reazionato, in grado di rispondere agli stimoli esterni costituiti da luce e colori. L'occhio umano, infatti, è in grado di distinguere contorni e colori di un oggetto in vari casi di illuminazione, come la luce solare diretta, l'illuminazione artificiale o la penombra. Un sistema elettronico invece in generale risente delle condizioni esterne e, in alcune situazioni, non è in grado di acquisire correttamente le immagini. Si presentano spesso fenomeni di sotto e sopra esposizione, specialmente se le informazioni sono state acquisite in condizioni ambientali di illuminazione non uniforme, come ad esempio in controluce o in presenza di intense fonti luminose in ambienti bui. In questi casi, si può incorrere nel rischio di perdere parte delle informazioni contenute nell'immagine o, quantomeno, di ottenere una scarsa visibilità di alcuni dettagli. Esistono degli algoritmi fondati su vere e proprie teorie della percezione, in grado di ottimizzare l'illuminazione di un'immagine, preservando i dettagli e recuperandone altri laddove l'acquisizione è stata problematica. I sistemi classici, quali l'equalizzazione di istogramma ed il ricorso a filtri di tipo FIR o IIR non forniscono soluzioni soddisfacenti, poiché tendono a sbiancare uniformemente l'immagine sorgente semplicemente traslando tutti i valori acquisiti verso i valori del bianco. Il risultato è buono nelle aree scure dell'immagine, ma dove la luminosità era già soddisfacente si perdono dei dettagli. Tra le tecniche proposte, un metodo interessante è quello del Retinex, che ha origine dall'omonima teoria di percezione del colore ideata dall'americano Edwin Herbert Land nel 1971. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è implementare l'algoritmo Retinex, già disponibile come software per utilizzo su PC in programmi di fotoritocco, su circuiti digitali a basso consumo di potenza ed a bassa complessità in modo da poter realizzare il miglioramento della qualità delle immagini in tempo reale, direttamente sul dispositivo di acquisizione. I principali problemi da affrontare saranno ottenere un basso consumo del circuito per poter pensare di operare su dispositivi portatili alimentati a batterie e la semplificazione degli operatori non lineari con altri implementabili sui moderni sistemi digitali.