1背景知識

在視頻處理中，為了能夠實時調節圖像的對比對，通常需要對直方圖進行拉伸處理。直方圖拉伸是指將圖像灰度直方圖較窄的灰度級區間向兩端拉伸，增強整幅圖像像素的灰度級對比度，達到增強圖像的效果。

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，屬于線性點運算的一種。它擴展圖像的直方圖，使其充滿整個灰度級范圍內。

設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。很容易發現直方圖分布較窄的a圖像經過拉伸后直方圖變寬而且對比度明顯提高。

2 matlab實現直方圖拉伸

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實現彩色圖像拉伸

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實現灰度圖像拉伸

FPGA實現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行一幀的緩存，偽拉伸其實是在前一幀計算出最大和最后灰度級的基礎上完成當前圖像的拉伸處理，這樣比較節省資源。

1，計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

	

	未經拉伸的圖像感覺蒙了一層霧，經過拉伸后圖像對比度明顯增強。

	






	審核編輯：劉清