实用指南：FPGA学习笔记——图像处理之对比度调节（直方图均衡化）
目录
一、任务
二、直方图均衡化
三、代码
1.v文件
（1）RGB2YUV
（2）histogram_adjust
（3）equalization
（4）Histogram_top
2.仿真文件
（1）tb_his
（2）video_sour
四、实验现象
一、任务
将下面这幅图片进行对比度调节，用直方图均衡化。
二、直方图均衡化
第一步：计算原始直方图，统计每个灰度级 k 的像素数量：
第二步：计算归一化直方图（概率分布)，M,N分别代表图像的长宽
第三步：计算累积分布函数（CDF），CDF 表示灰度值 ≤ k 的像素占比
第四步：计算均衡化后的灰度值，将 CDF 映射到 [0, 255] ，S(k) 是原始灰度 k 映射后的新灰度值。
RGB转YUV：
思路：先把RGB转成YUV（这里只涉及到了灰度），然后进行四个步骤（具体看代码）。
三、代码
1.v文件
（1）RGB2YUV
`timescale 1ns / 1ps
module RGB2YUV(
input clk ,
input rst_n ,
input [23:0] i_rgb ,
input i_valid ,
input i_hsync ,
input i_vsync ,
output [7:0] o_y , //灰度值
output o_valid ,
output o_hsync ,
output o_vsync
);
parameter C0 = 76 ,
C1 = 150,
C2 = 29 ;
reg [15:0] temp0_r;
reg [15:0] temp0_g;
reg [15:0] temp0_b;
reg [15:0] temp1_y;
reg [1:0] valid_reg;
reg [1:0] hsync_reg;
reg [1:0] vsync_reg;
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n)begin
temp0_r <= 0;
temp0_g <= 0;
temp0_b <= 0;
end
else begin
temp0_r <= i_rgb[23:16]*C0;
temp0_g <= i_rgb[15:8]*C1;
temp0_b <= i_rgb[7:0]*C2;
end
end
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n)
temp1_y <= 0;
else
temp1_y <= temp0_r + temp0_g + temp0_b;
end
always @(posedge clk)begin
valid_reg <= {valid_reg[0],i_valid};
hsync_reg <= {hsync_reg[0],i_hsync};
vsync_reg <= {vsync_reg[0],i_vsync};
end
assign o_y = temp1_y[15:8];
assign o_valid = valid_reg[1];
assign o_hsync = hsync_reg[1];
assign o_vsync = vsync_reg[1];
endmodule（2）histogram_adjust
`timescale 1ns / 1ps
module histogram_adjust(
input clk ,
input rst_n ,
input [7:0] i_y ,
input i_valid ,
input i_hsync ,
input i_vsync ,
//----输出统计结果------------------------------
output [19:0] o_histogram,
output reg o_histogram_valid
);
reg [19:0] data [255:0] ;
reg [1:0] vsync_reg ;
reg [7:0] addr;
integer i;
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n || (~vsync_reg[0] && vsync_reg[1]))begin //下降沿 对存储器清零
for(i=0; i < 256;i=i+1)begin
data[i] <= 0;
end
end
else if(i_valid)begin
data[i_y] <= data[i_y]+1;
end
end
always @(posedge clk)begin
vsync_reg <= {vsync_reg[0],i_vsync};
end
//---输出统计结果-----------------------------------
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n || addr == 255)
o_histogram_valid <= 0;
else if(vsync_reg[0] && ~vsync_reg[1]) //上升沿
o_histogram_valid <= 1;
end
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n)
addr <= 0;
else if(o_histogram_valid)begin
if(addr == 255)
addr <= 0;
else
addr <= addr+1;
end
end
assign o_histogram = data[addr];
endmodule（3）equalization
`timescale 1ns / 1ps
module equalization(
input clk ,
input rst_n ,
input [7:0] i_y ,
input i_valid ,
input i_hsync ,
input i_vsync ,
output [7:0] o_y ,
output reg o_valid ,
output reg o_hsync ,
output reg o_vsync ,
//--灰度直方图统计结果-----------------------
input [19:0] i_histogram,
input i_histogram_valid
);
reg [19:0] data [255:0] ;
reg [7:0] addr;
reg [19:0] equalization;
integer i;
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n)
addr <= 0;
else if(i_histogram_valid)
addr <= addr+1;
end
always @ (posedge clk)begin
if(!rst_n )begin //下降沿 对存储器清零
for(i=0; i < 256;i=i+1)begin
data[i] <= 0;
end
end
else if(i_histogram_valid) begin
if(addr == 0)
data[0] <= i_histogram;
else
data[addr] <= i_histogram+data[addr-1]; //当前输入值 + 加上上一次的总和
end
end
always @(posedge clk)begin
if(!rst_n)
equalization <= 0;
else
equalization <= data[i_y];
end
always @(posedge clk)begin
o_valid <= i_valid;
o_hsync <= i_hsync;
o_vsync <= i_vsync;
end
assign o_y = equalization[19:12];
endmodule（4）Histogram_top
`timescale 1ns / 1ps
module Histogram_top(
input clk ,
input rst_n ,
input [23:0] i_rgb ,
input i_vsync ,
input i_hsync ,
input i_valid ,
output [7:0] o_y ,
output o_vsync ,
output o_hsync ,
output o_valid
);
wire [19:0] i_histogram;
wire i_histogram_valid;
wire [7:0] y_o;
wire o_valid_r;
wire o_hsync_r;
wire o_vsync_r;
RGB2YUV RGB2YUV_u(
. clk (clk),
. rst_n (rst_n),
. i_rgb (i_rgb),
. i_valid(i_valid),
. i_hsync(i_hsync),
. i_vsync(i_vsync),
. o_y (y_o), //灰度值
. o_valid(o_valid_r),
. o_hsync(o_hsync_r),
. o_vsync(o_vsync_r)
);
histogram_adjust histogram_adjust_u(
. clk (clk) ,
. rst_n (rst_n) ,
. i_y (y_o) ,
. i_valid (o_valid_r) ,
. i_hsync (o_hsync_r) ,
. i_vsync (o_vsync_r) ,
. o_histogram (i_histogram) ,
. o_histogram_valid(i_histogram_valid)
);
equalization equalization_u(
. clk (clk) ,
. rst_n (rst_n) ,
. i_y (y_o) ,
. i_valid (o_valid_r) ,
. i_hsync (o_hsync_r) ,
. i_vsync (o_vsync_r) ,
. o_y (o_y) ,
. o_valid (o_valid) ,
. o_hsync (o_hsync) ,
. o_vsync (o_vsync) ,
. i_histogram (i_histogram) ,
. i_histogram_valid(i_histogram_valid)
);
endmodule2.仿真文件
（1）tb_his
`timescale 1ns / 1ps
module tb_his();
reg clk = 0;
reg rst_n = 0;
wire [23:0] i_rgb;
wire i_valid;
wire i_vsync;
wire [7:0] o_y;
wire o_valid;
always #10 clk = ~clk;
initial begin
#100 rst_n = 1;
end
Histogram_top Histogram_top_u(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.i_rgb (i_rgb),
.i_valid (i_valid),
.i_hsync (),
.i_vsync (i_vsync),
.o_y (o_y), //灰度值
.o_valid (o_valid),
.o_hsync (),
.o_vsync ()
);
video_sour video_sour_u(
.pclk (clk),
.rstn (rst_n),
//----图像输出----------------------
.o_vs (i_vsync),
.source_de_o (i_valid),
.source_data_o(i_rgb),
//----图像输入----------------------
.de_i (o_valid),
.data_i ({o_y,o_y,o_y})
);
endmodule（2）video_sour
`timescale 1ns / 1ps
`define VIDEO_1280_720
module video_sour#(
parameter VSYNC=720,
HSYNC=1280,
DELAY1=50_000_000 //图像处理延迟
)(
input pclk ,
input rstn ,
//----图像输出----------------------
output reg o_vs ,
output reg source_de_o ,
output [23:0] source_data_o,
//----图像输入----------------------
input de_i ,
input [23:0] data_i
);
//1280X720 74.25MHZ
`ifdef VIDEO_1280_720
parameter H_ACTIVE = 1280;// 行数据有效时间
parameter H_FRONT_PORCH = 110; // 行消隐前肩时间
parameter H_SYNC_TIME = 40; // 行同步信号时间
parameter H_BACK_PORCH = 220; // 行消隐后肩时间
parameter H_POLARITY = 1; // 行同步极性
parameter V_ACTIVE = 720; // 列数据有效时间
parameter V_FRONT_PORCH = 5; // 列消隐前肩时间
parameter V_SYNC_TIME = 5; // 列同步信号时间
parameter V_BACK_PORCH = 20; // 列消隐后肩时间
parameter V_POLARITY = 1; // 场同步极性
`endif
localparam addr_size=HSYNC*VSYNC*3+54; //总字节数
//文件名
integer bmp_file_id;
integer bmp_dout_id;
//文件句柄
integer h;
reg [7:0] rd_data [addr_size-1:0]; //根据自己图片大小 BMP格式为：位图文件头（14字节）+位图信息头（40字节）+实际像素点占内存
reg [7:0] wr_data [addr_size-1:0];
integer i=0;
integer addr_rd=54;
integer addr_wr=54;
initial begin
bmp_file_id = $fopen("D:/intelFPGA_lite/haiyunjiexun/text_Vivado/image_isp/image_1.bmp","rb"); //打开原始图像
bmp_dout_id = $fopen("D:/intelFPGA_lite/haiyunjiexun/text_Vivado/image_isp/image_1_out.bmp","wb"); //打开输出图像
h = $fread(rd_data,bmp_file_id); //读取bmp文件 读取到的数据将会依次放入rd_data中
$fclose(bmp_file_id); //读取完毕
#DELAY1 ; //图像处理延迟
for(i = 0; i = addr_size-3)
addr_rd= addr_size-3)
addr_wr (H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH -1)) && (cnt_h (V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH-1)) && (cnt_v <= (V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH + V_ACTIVE-1)))
source_de_o<=1;
else
source_de_o<=0;
end
always@(posedge pclk)begin
if(!rstn)
cnt_h<=0;
else if(cnt_h == H_TOTAL_TIME-1)
cnt_h<=0;
else
cnt_h<=cnt_h+1;
end
always@(posedge pclk)begin
if(!rstn)
cnt_v<=0;
else if(cnt_h == H_TOTAL_TIME-1)begin
if(cnt_v == V_TOTAL_TIME-1)
cnt_v<=0;
else
cnt_v<=cnt_v+1;
end
end
// 场同步控制
always@(posedge pclk)
begin
if(cnt_v < V_SYNC_TIME) o_vs <= V_POLARITY;
else o_vs <= ~V_POLARITY;
end
endmodule四、实验现象
均衡化之前：
均衡化之后：
以上就是图像处理之对比度调节（直方图均衡化）。（如果有错误的地方，还请大家指出来，谢谢！）