直方图均衡增强算法在实时图像处理中的实现

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1、第２４卷第６期液晶与显示Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．６２００９年１２月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓａｎｄＤｉｓｐｌａｙｓＤｅｃ．，２００９文章编号：１００７２７８０（２００９）０６０９０７０４直方图均衡增强算法在实时图像处理中的实现胡元刚（长沙湘计海盾科技有限公司，湖南长沙４１０１００，Ｅｍａｉｌ：ｈｙｇ０５１８８＠１６３．ｃｏｍ）摘要：介绍了直方图均衡增强算法在显示系统中的应用，提出利用ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）并行处理海量数据的能力来实现显示系统，与采用ＤＳＰ等传统方法相比，在处

2、理实时图像及工作效率方面优势明显。给出了主要模块的设计方法，整个系统设计紧凑、简单、可靠性高。关键词：实时图像处理；直方图均衡；ＦＰＧＡ；显示系统中图分类号：ＴＮ９１１．７３文献标识码：Ａ１引言２设计原理随着微光显示、红外显示以及超高亮、超低２．１直方图均衡的理论依据亮显示在军事中的广泛应用，图像增强技术也直方图均衡化处理是以累积分布函数变换法日益得到重视和发展。图像增强技术可以使原为基础的直方图修正法［３］。其变换函数需满足两本模糊不清的图像清晰化，使图像能提供更多、个条件：更详细的信息。如微光图像存在对比度差、灰（１）在０≤狉≤１区间内，犜（狉）值单

3、调增加；度级有限、瞬间动态范围差、高增益时有闪烁等（２）对于０≤狉≤１，有０≤犜（狉）≤１。缺点，这就需要对图像进行实时增强。直方图这里的第一个条件保证了图像的灰度级从黑技术是图像增强技术中最基本、最通用的技术，到白的次序不变，第二个条件则保证了映射变换［１］目前大多采用的是直方图均衡处理。现在要后的像素灰度值在容许的范围内。当变量连续时实现图像增强主要有两种方式，传统上是采用其变换函数就是：ＤＳＰ的设计方法，但随着显示信息量的增大这狉种方法在速度上越来越难以满足要求，特别是狊＝犜（狉）＝狆狉（ω）ｄω（１）∫０在处理实时图像时更为明显，工作效率不是很式

4、中：犘（ω）是狉的概率密度函数，ω是积分变量，狉高；现在，基于ＦＰＧＡ的设计方式越来越被采狉而狆狉（ω）ｄω就是狉的累积分布函数。可以证用，ＦＰＧＡ并行处理海量数据的能力很强，特别∫０是在需要大量简单、重复计算的场合。ＦＰＧＡ可明，变换后的变量狊在定义域内的概率密度是均以很好地解决实时处理的难题，随着ＦＰＧＡ的匀分布的，因此，用狉的累积分布函数作为变换函发展，目前ＦＰＧＡ的资源容量，如片内的数，可产生一幅灰度级分布具有均匀概率密度的ＡＬＵＴ、ＰＬＬ、ＳＲＡＭ、可用嵌入式处理器、ＤＳＰ图像，其结果扩展了像素取值的动态范围。上述模块、乘法器等越来越丰富，足以

5、应对一般图像方法是以连续随机变量为基础进行讨论的。当灰［２］处理算法的需要。度级是离散值时，可用频数近似代替概率密本文介绍了直方图均衡增强算法在显示系统度［４］，即：中的应用，利用ＦＰＧＡ并行处理海量数据的能力狀犽狆狉（狉犽）＝０≤狉犽≤１实现了显示系统，给出了主要模块的设计方法，整狀个系统设计紧凑，简单，可靠性高。犽＝０，１，…，犾－１（２）收稿日期：２００９０５０５；修订日期：２００９０５１６９０８液晶与显示第２４卷犾是灰度级的总数目，狆狉（狉犽）是取第犽级灰度值的!"#()*+,-./0概率，狀是图像中出现第犽级灰度的次数，狀是图$%&'!

6、"!#犽像中像素总数。式（１）的离散形式可由式（３）表示：()$$%89:;<犽犽!"!#(1234567=>&'狀犼狊犽＝犜（狉犽）＝狀＝狆狉（狉犼）犼＝０犼＝００≤狉犼≤１，犽＝０，１，…，犾－１（３）&"#'(2?3@A!B以上是直方图均衡的理论基础，这种方法对C=>)于对比度差、灰度级有限的图像进行处理是很有［５］效的。图２ＦＰＧＡ中视频数据处理流程图２．２基于犉犘犌犃的设计原理Ｆｉｇ．２ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｖｉｄｅｏｄａｔａｉｎＦＰＡＧ图１为其系统硬件方框图，ＶＰＣ３２３０为视频解码器，将ＰＡＬ制式或ＮＴＳＣ制式的视频

7、流转缩放模块用来实现无级缩放，由Ｎｉｏｓ完成直方图化为ＹｃｂＣｒ的数字信号，由于本设计主要处理亮的统计并对数据按公式（３）进行累加，求出均衡映度信号，故只需将Ｙ信号，也就是亮度信号引入射表，当视频数据在进入ＤＤＲ时，Ｎｉｏｓ同步对数据进行统计，当一帧数据传送完，Ｎｉｏｓ计算相应ＦＰＧＡ。ＡＤＶ７１２３将要显示的数字信号转化为模拟ＲＧＢ信号，输给普通显示器显示。ＤＳ９０的映射表，并将映射表也存入ＤＤＲ中，位置放在这一帧的视频数据之后。Ｃ３８７将数字显示信号转化为ＬＶＤＳ信号，此信号可直接连接液晶屏显示。本设计使用了６片由于输入视频的场频和输出不一致，为解

8、决同步问题，视频数据在ＤＤＲ中的存储采用了３ＤＤＲ，之所以采用６片，主要是此电路