基于SoPC的實(shí)時(shí)視頻處理與顯示設(shè)計(jì)

　　通過輸入系統(tǒng)獲取的圖像信息中含有各種各樣的噪聲與畸變，例如，光照度不夠均勻會(huì)造成圖像灰度過于集中，由CCD獲得的圖像經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、線路傳送都會(huì)產(chǎn)生噪聲污染等，不可避免地會(huì)影響系統(tǒng)圖像的清晰程度，降低圖像質(zhì)量。但通過圖像增強(qiáng)可以改善圖像質(zhì)量。直方圖均衡化算法是空域圖像增強(qiáng)技術(shù)的重要算法，是圖像壓縮、圖像分割和圖像識(shí)別等后續(xù)圖像處理的基礎(chǔ)[2，4]，在圖像預(yù)處理技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。

　　2.2.1 直方圖均衡化原理

　　直方圖均衡是以概率論為基礎(chǔ)，運(yùn)用灰度點(diǎn)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)直方圖變換。原始圖像的直方圖包含了豐富的圖像信息，描述了圖像的灰度級(jí)內(nèi)容，反映了圖像的灰度分布情況。直方圖統(tǒng)計(jì)及均衡化的基本思想是對(duì)在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)進(jìn)行展寬，而對(duì)像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)進(jìn)行縮減，從而達(dá)到清晰圖像的目的[5]。通過點(diǎn)運(yùn)算使輸入圖像轉(zhuǎn)換為在每一灰度級(jí)上都有相同的像素點(diǎn)的數(shù)目。在圖像增強(qiáng)處理中運(yùn)用如下公式：

　　(3)用累積分布函數(shù)作變換函數(shù)進(jìn)行圖像灰度變換。

2.2.2 基于FPGA的算法優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)

　　算法的關(guān)鍵是在FPGA中實(shí)現(xiàn)直方圖統(tǒng)計(jì)和均衡后的映射關(guān)系表，本設(shè)計(jì)采用FPGA器件提供的Block RAM來存放直方圖和均衡后映射關(guān)系表。以雙端口RAM的數(shù)組結(jié)構(gòu)為核心，把整個(gè)算法分為兩個(gè)部分執(zhí)行：(1)統(tǒng)計(jì)原始圖像的各級(jí)灰度值，并存入灰度計(jì)數(shù)表RAM中；(2)對(duì)得到的灰度值做灰度映射，把映射后的結(jié)果存入到映射表RAM中，即生成均衡映射表。根據(jù)映射表就可以知道原始圖像某一灰度級(jí)經(jīng)過變換后的灰度級(jí)。經(jīng)過這樣的處理，就可以把原始圖像中密集分布的灰度值映射到經(jīng)過直方圖均衡化后的新的灰度級(jí)上。圖3為該算法的邏輯框圖。

　　考慮到FPGA的硬件特點(diǎn)，在接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)、計(jì)算此場(chǎng)的直方圖時(shí)，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜且消耗較多邏輯資源，因此在對(duì)圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)時(shí)將各灰度級(jí)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)作為直方圖數(shù)據(jù)：pu(uk)=nk，以避免使用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)運(yùn)算。對(duì)直方圖進(jìn)行均衡化處理，得到原灰度到均衡化后灰度映射關(guān)系表。本設(shè)計(jì)中的直方圖均衡化的算法具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。其具體的轉(zhuǎn)移條件：?jiǎn)?dòng)信號(hào)有效時(shí)，由st1轉(zhuǎn)向st2；當(dāng)計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)到255時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st3；當(dāng)計(jì)數(shù)器1沒有計(jì)數(shù)到圖像高度減1或者計(jì)數(shù)器2沒有計(jì)數(shù)到圖像寬度減1時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st3；當(dāng)計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)到圖像高度減1且計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到圖像寬度減1時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st5；當(dāng)計(jì)數(shù)器1沒有計(jì)數(shù)到255時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st6；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到255時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st7；當(dāng)計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)到圖像高度減1且計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到圖像寬度減1時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st1狀態(tài)；當(dāng)計(jì)數(shù)器1沒有計(jì)數(shù)到圖像高度減1或者計(jì)數(shù)器2沒有計(jì)數(shù)到圖像寬度減1時(shí)，跳轉(zhuǎn)到st6。在進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器在檢測(cè)得到一個(gè)像素點(diǎn)的灰度之后，不僅要相應(yīng)地將計(jì)數(shù)器加1，而且對(duì)應(yīng)灰度值大于當(dāng)前灰度值的所有計(jì)數(shù)器都加1，這樣就能同時(shí)完成原始圖像各像素灰度值的統(tǒng)計(jì)和累積，減少了統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

　　因?yàn)樵诨叶染馓幚磉^程中是以場(chǎng)為單位進(jìn)行的，在灰度均衡化處理完之后，要將場(chǎng)合并為幀。其操作是由Nios II軟核中的SDRAM控制器來完成奇偶場(chǎng)的合并?；叶染饣姆抡娼Y(jié)果圖如圖5所示。