視頻圖像灰度信號直方圖均衡的FPGA實現(xiàn)

直方圖均衡作為一種基礎的圖像處理方法在很多領域得到應用，但大多是通過DSP或者CPU編程實現(xiàn)，其優(yōu)點是靈活性比較高，調(diào)試方便，最大的缺點是很難做到實時或者準實時處理，這在某些領域是不可接受的。而使用FPGA實現(xiàn)可以很好地解決實時處理的難題，而且目前的FPGA資源容量已經(jīng)很豐富，片內(nèi)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，同時隨著價格的不斷下降，客觀上使得FPGA成為圖像處理算法實現(xiàn)不錯的選擇。

　　本文主要介紹在FPGA上實現(xiàn)直方圖均衡算法的總體結(jié)構(gòu)和最重要的兩個子模塊的實現(xiàn)細節(jié)，以及最終的實現(xiàn)結(jié)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(shù)。直方圖均衡化處理實際上就是尋找一個灰度變換函數(shù)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(shù)p(s)=1，期望所有灰度級出現(xiàn)概率相同。

　　對于數(shù)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(tǒng)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的像素個數(shù)；n是輸入圖像的像素總數(shù)。

　　(2)計算直方圖累積分布曲線

　　(3)用累積分布函數(shù)作變換函數(shù)進行圖像灰度變換

　　根據(jù)計算得到的累積分布函數(shù)，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實現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu)

　　從上面對直方圖均衡算法的描述可知，在進行直方圖均衡以前，首先必須對圖像灰度進行統(tǒng)計，然后再計算輸出。而要統(tǒng)計一幅圖像的全局灰度信息，就不得不把整幅圖像先寫入緩存。雖然FPGA內(nèi)部的SRAM資源豐富，但是仍然無法滿足整幅圖像存儲的需要。因此，需要以SDRAM作為圖像緩存，存儲前后兩場視頻圖像，然后再計算輸出。SDRAM的容量、速度都能滿足直方圖均衡算法的要求，唯一的缺點是必須有相應的SDRAM控制器控制SDRAM的讀寫和刷新操作。下面簡要介紹總體實現(xiàn)的方案，其實現(xiàn)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(shù)據(jù)經(jīng)過視頻圖像解碼進入FPGA，在FPGA里先對數(shù)據(jù)進行簡單處理，產(chǎn)生內(nèi)部使用的行同步信號/場同步信號/數(shù)據(jù)有效信號和16bit YUV4:2:2格式的視頻信號。然后，灰度信息進入灰度直方圖統(tǒng)計模塊對當前灰度信息出現(xiàn)的頻率加以統(tǒng)計，將統(tǒng)計信息以乒乓的方式存入SRAM,與此同時所有視頻數(shù)據(jù)通過“寫”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SDRAM控制模塊從SDRAM讀出上一場的數(shù)據(jù)進入灰度變換模塊，根據(jù)存儲的上一場的灰度統(tǒng)計信息，對數(shù)據(jù)進行灰度變換。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，還必須要有時序產(chǎn)生/圖像數(shù)據(jù)格式變換等模塊。另外，由于需要對某些內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)整（如SDRAM的Latency等），必須有一個控制接口和外部相連，在這里使用了一個I2C協(xié)議接口。

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

　　3 直方圖統(tǒng)計的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

　　直方圖統(tǒng)計是通過FPGA內(nèi)部兩塊雙端口SRAM的乒乓操作實現(xiàn)的。其中每塊SRAM的地址反映了灰度值的大小，而SRAM每個單元的數(shù)據(jù)寬度必須相應于每場圖像的像素數(shù)量。例如，對于我國PAL制的電視圖像來說，根據(jù)ITU-R BT.601/656數(shù)字視頻標準規(guī)定每一場數(shù)字化后的視頻圖像，它的有效數(shù)據(jù)是每行720個有效點，每場288個有效行，每場總共207360個有效像素點，平均每個點16bit的數(shù)據(jù)量，其中有8bit灰度數(shù)據(jù)。所以在選取SRAM的大小時，應該選擇容量為256（2的8次方）、數(shù)據(jù)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，實際使用中使用了容量為256、數(shù)據(jù)寬度為22位的SRAM，這樣可以對數(shù)據(jù)量更大的圖像加以處理。