視頻圖像灰度信號直方圖均衡的FPGA實(shí)現

直方圖均衡作為一種基礎的圖像處理方法在很多領(lǐng)域得到應用，但大多是通過(guò)DSP或者CPU編程實(shí)現，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性比較高，調試方便，最大的缺點(diǎn)是很難做到實(shí)時(shí)或者準實(shí)時(shí)處理，這在某些領(lǐng)域是不可接受的。而使用FPGA實(shí)現可以很好地解決實(shí)時(shí)處理的難題，而且目前的FPGA資源容量已經(jīng)很豐富，片內的SRAM/PLL/邏輯資源已經(jīng)足以應對一般圖像處理算法的需要，同時(shí)隨著(zhù)價(jià)格的不斷下降，客觀(guān)上使得FPGA成為圖像處理算法實(shí)現不錯的選擇。

　　本文主要介紹在FPGA上實(shí)現直方圖均衡算法的總體結構和最重要的兩個(gè)子模塊的實(shí)現細節，以及最終的實(shí)現結果。

　　1 直方圖均衡的理論基礎

　　原始圖像灰度值r歸一化在0~1之間，p(r)為原始圖像灰度分布的概率密度函數。直方圖均衡化處理實(shí)際上就是尋找一個(gè)灰度變換函數T，使得變化后的灰度值s=T(r), 其中，s歸一化為0~1,即建立r與s之間的映射關(guān)系，要求處理后圖像灰度分布的概率密度函數p(s)=1，期望所有灰度級出現概率相同。

　　對于數字圖像離散情況，其直方圖均衡化處理的計算步驟如下：

　　(1)統計原始圖像的直方圖

　　式中，rk是歸一化的輸入圖像灰度；nk是輸入圖像中歸一化灰度等于rk的像素個(gè)數；n是輸入圖像的像素總數。

　　(2)計算直方圖累積分布曲線(xiàn)

　　(3)用累積分布函數作變換函數進(jìn)行圖像灰度變換

　　根據計算得到的累積分布函數，建立輸入圖像與輸出圖像灰度之間的對應關(guān)系，最后要將變換后的灰度恢復成原先范圍。

　　2 FPGA實(shí)現的總體結構

　　從上面對直方圖均衡算法的描述可知，在進(jìn)行直方圖均衡以前，首先必須對圖像灰度進(jìn)行統計，然后再計算輸出。而要統計一幅圖像的全局灰度信息，就不得不把整幅圖像先寫(xiě)入緩存。雖然FPGA內部的SRAM資源豐富，但是仍然無(wú)法滿(mǎn)足整幅圖像存儲的需要。因此，需要以SDRAM作為圖像緩存，存儲前后兩場(chǎng)視頻圖像，然后再計算輸出。SDRAM的容量、速度都能滿(mǎn)足直方圖均衡算法的要求，唯一的缺點(diǎn)是必須有相應的SDRAM控制器控制SDRAM的讀寫(xiě)和刷新操作。下面簡(jiǎn)要介紹總體實(shí)現的方案，其實(shí)現框圖如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，在輸入端，模擬復合視頻數據經(jīng)過(guò)視頻圖像解碼進(jìn)入FPGA，在FPGA里先對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，產(chǎn)生內部使用的行同步信號/場(chǎng)同步信號/數據有效信號和16bit YUV4:2:2格式的視頻信號。然后，灰度信息進(jìn)入灰度直方圖統計模塊對當前灰度信息出現的頻率加以統計，將統計信息以乒乓的方式存入SRAM,與此同時(shí)所有視頻數據通過(guò)“寫(xiě)”控制模塊和SDRAM控制器存入SDRAM；在輸出端，在“讀”控制單元的控制下通過(guò)SDRAM控制模塊從SDRAM讀出上一場(chǎng)的數據進(jìn)入灰度變換模塊，根據存儲的上一場(chǎng)的灰度統計信息，對數據進(jìn)行灰度變換。這樣就完成了完整的灰度直方圖均衡變換。

　　如果需要在顯示設備（如PC顯示器）上顯示，還必須要有時(shí)序產(chǎn)生/圖像數據格式變換等模塊。另外，由于需要對某些內部參數進(jìn)行調整（如SDRAM的Latency等），必須有一個(gè)控制接口和外部相連，在這里使用了一個(gè)I2C協(xié)議接口。

　　在所有模塊中最主要的實(shí)現單元主要有兩大部分，一個(gè)是直方圖統計和灰度變換模塊，另一個(gè)是SDRAM控制器和讀寫(xiě)控制單元。下面將詳細介紹這兩部分。

　　3 直方圖統計的實(shí)現結構

　　直方圖統計是通過(guò)FPGA內部?jì)蓧K雙端口SRAM的乒乓操作實(shí)現的。其中每塊SRAM的地址反映了灰度值的大小，而SRAM每個(gè)單元的數據寬度必須相應于每場(chǎng)圖像的像素數量。例如，對于我國PAL制的電視圖像來(lái)說(shuō)，根據ITU-R BT.601/656數字視頻標準規定每一場(chǎng)數字化后的視頻圖像，它的有效數據是每行720個(gè)有效點(diǎn)，每場(chǎng)288個(gè)有效行，每場(chǎng)總共207360個(gè)有效像素點(diǎn)，平均每個(gè)點(diǎn)16bit的數據量，其中有8bit灰度數據。所以在選取SRAM的大小時(shí)，應該選擇容量為256（2的8次方）、數據寬度為18位（207 360大于2的17次方）的SRAM。但是為了擴展的方便，實(shí)際使用中使用了容量為256、數據寬度為22位的SRAM，這樣可以對數據量更大的圖像加以處理。