基于FPGA的直方圖拉伸方案

1背景知識

在視頻處理中，為了能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)圖像的對比對，通常需要對直方圖進(jìn)行拉伸處理。直方圖拉伸是指將圖像灰度直方圖較窄的灰度級區(qū)間向兩端拉伸，增強(qiáng)整幅圖像像素的灰度級對比度，達(dá)到增強(qiáng)圖像的效果。

常用的直方圖拉伸方法有線性拉伸、3段式分段線性拉伸和非線性拉伸等。FPGA中常見的是線性拉伸。

線性拉伸就是灰度拉伸，屬于線性點(diǎn)運(yùn)算的一種。它擴(kuò)展圖像的直方圖，使其充滿整個灰度級范圍內(nèi)。

設(shè)f(x,y)為輸入圖像，它的最小灰度級A和最大灰度級B的定義如下：

A=min[f(x,y)];

B=max[f(x,y)];

將A和B分別映射到0和255，則最終的輸出圖像g（x,y）為

g(x,y)=255*[f(x,y)-A]/(B-A)

如上圖所示，上a和下a分別為未進(jìn)行拉伸的原始圖像和直方圖，上b和下b為拉伸后的圖像和直方圖。很容易發(fā)現(xiàn)直方圖分布較窄的a圖像經(jīng)過拉伸后直方圖變寬而且對比度明顯提高。

2 matlab實(shí)現(xiàn)直方圖拉伸

closeall

clearall;

clc;

I = imread('car0.bmp');

Igray = rgb2gray(I);

Imin=min(min(Igray));

Imax=max(max(Igray));

HW = size(Igray);

H =HW(1);

W =HW(2);

C =255/(Imax-Imin);

Inew = zeros(size(Igray));

fori=1:H

forj=1:W

if(Igray(i,j)==Imin)

Inew(i,j)=0;

elseif(Igray(i,j)==Imax)

Inew(i,j)=255;

else

Inew(i,j)=(C.*(Igray(i,j)-Imin));

end

end

end

Inew = uint8(Inew);

figure(1),

subplot(221),imshow(Igray);

title('Igray');

subplot(223),imshow(Inew);

title('Inew');

subplot(222),imhist(Igray);

title('Igray');

subplot(224),imhist(Inew);

title('Inew');

Matlab實(shí)現(xiàn)彩色圖像拉伸

close all
clear all;
clc;
 
I = imread('lena.jpg');
Istretch=HistRGB(I);
 
figure(1),
subplot(211),imshow(I);
title('I');
subplot(212),imshow(Istretch);
title('Istretch');

function [OUT] = HistRGB(I)
    for i = 1:3
        I(:,:,i) = HistGray(I(:,:,i));
    end
    OUT = uint8(I);
end

function [Inew] = HistStretch(Igray)
Imin=min(min(Igray));
Imax=max(max(Igray));
 
HW = size(Igray);
H =HW(1);
W =HW(2);
C =255/(Imax-Imin);
Inew = zeros(size(Igray));
for i=1:H
   for j=1:W
       if(Igray(i,j)==Imin)
           Inew(i,j)=0;
       elseif(Igray(i,j)==Imax)
           Inew(i,j)=255;
       else
           Inew(i,j)=(C.*(Igray(i,j)-Imin));
       end
   end
end
Inew = uint8(Inew);
end

3 FPGA實(shí)現(xiàn)灰度圖像拉伸

FPGA實(shí)現(xiàn)灰度圖像的拉伸可分為真拉伸和偽拉伸，真拉伸需要對圖像進(jìn)行一幀的緩存，偽拉伸其實(shí)是在前一幀計(jì)算出最大和最后灰度級的基礎(chǔ)上完成當(dāng)前圖像的拉伸處理，這樣比較節(jié)省資源。

1，計(jì)算灰度圖像的最大最小灰度級A，B；

2，完成灰度圖像的拉伸。

/**********************************
copyright@FPGA OPEN SOURCE STUDIO
微信公眾號：FPGA開源工作室
***********************************/
//800*600 =  480000
//Pseudo histogram linear stretch
//Algorithm:g(x,y) = 255*(f(x,y)-A)/(B-A)
//B--Grayscale max
//A--Grayscale min
 
module hist_Stretch#(
       parameter DW = 24
      )(
      input                      pixelclk,
      input                      reset_n,
      input [DW-1:0]    din,//gray888
      input                      i_hsync,
      input                      i_vsync,
      input                      i_de,
  
  output [DW-1:0]dout,//gray out
      output                     o_hsync,
      output                     o_vsync,
      output                     o_de
   );
   
wire [7:0] gray = din[7:0];//gray--8bit
reg  [7:0] gray_r;
reg        vsync_r;
reg        hsync_r;
reg        de_r;
 
wire [7:0]gray_max;//gray max
wire [7:0]gray_min;//gray min
 
wire       vsync_pos = (i_vsync&(!vsync_r));//frame start
wire       vsync_neg = (!i_vsync&vsync_r);  //frame end
assign dout = {gray_r,gray_r,gray_r};
assign o_hsync = hsync_r;
assign o_vsync = vsync_r;
assign o_de = de_r;
 
always @(posedge pixelclk) begin
  vsync_r <= i_vsync;
  hsync_r <= i_hsync;
  de_r <= i_de;
end
 
always @(posedge pixelclk or negedge reset_n)begin
  if(reset_n == 1'b0) begin
gray_r<=0;
  end
  else begin
if(i_de ==1'b1) begin
  if(gray>gray_max)
    gray_r<=8'd255;
  else if(gray

	

	
/*
Module name:  minmax.v
Description:  Get the maximum and minimum gray level of a frame of image
              
Date:         2019/12/02
微信公眾號：    FPGA開源工作室
*/
`timescale 1ns/1ps
module minmax#(parameter DW = 8
      )(
      input                      pixelclk,
      input                      reset_n,
      input [DW-1:0]    din,//gray--8
      input                      i_hsync,
      input                      i_vsync,
      input                      i_de,
  
  output reg [DW-1:0]gray_max,//gray max out
  output reg  [DW-1:0]gray_min//gray min out
   );
 
reg [DW-1:0]gray_maxr;//gray max
reg [DW-1:0]gray_minr;//gray min
 
//reg  [7:0] gray_r;
reg        vsync_r;
reg de_r;
 
wire       vsync_pos = (i_vsync&(!vsync_r));//frame start
wire       vsync_neg = (!i_vsync&vsync_r);  //frame end
 
always @(posedge pixelclk) begin
  de_r <= i_de;
  vsync_r<=i_vsync;
end
 
always @(posedge pixelclk or negedge reset_n)begin
  if(!reset_n) begin
    gray_maxr<= 8'd0;
gray_minr<= 8'd255;
  end  
  else begin
    if(i_vsync ==1'b1 && i_de ==1'b1) begin
  gray_maxr<= (gray_maxr>din)?gray_maxr:din;
  gray_minr<= (din>gray_minr)?gray_minr:din;    
end
else if(vsync_neg == 1'b1)begin
  gray_max<= gray_maxr;
  gray_min<= gray_minr;
  gray_maxr<= 8'd0;
  gray_minr<= 8'd255;
end
else begin
  gray_max<= gray_max;
  gray_min<= gray_min;
  gray_maxr<= gray_maxr;
  gray_minr<= gray_minr;
end
  end
end
 
 
endmodule

	

	未經(jīng)拉伸的圖像感覺蒙了一層霧，經(jīng)過拉伸后圖像對比度明顯增強(qiáng)。

	






	審核編輯：劉清