ISP—直方图拉伸-直方图样式

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基于FPGA的直方图拉伸

1 背景知识

   在视频处理中，为了能够实时调节图像的对比对，通常需要对直方图进行拉伸处理。直方图拉伸是指将图像灰度直方图较窄的灰度级区间向两端拉伸，增强整幅图像像素的灰度级对比度，达到增强图像的效果。

   常用的直方图拉伸方法有线性拉伸、3段式分段线性拉伸和非线性拉伸等。FPGA中常见的是线性拉伸。

   线性拉伸就是灰度拉伸，属于线性点运算的一种。它扩展图像的直方图，使其充满整个灰度级范围内。

   设f(x,y) 为输入图像，它的最小灰度级A和最大灰度级B的定义如下：

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

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

将A和B分别映射到0和255，则最终的输出图像g（x,y）为

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

如上图所示，上a和下a分别为未进行拉伸的原始图像和直方图，上b和下b为拉伸后的图像和直方图。很容易发现直方图分布较窄的a图像经过拉伸后直方图变宽而且对比度明显提高。

2 matlab实现直方图拉伸

close all

clear all;

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));

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);

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实现彩色图像拉伸

close allclear 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);endfunction [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 endendInew = uint8(Inew);end

3 FPGA实现灰度图像拉伸

FPGA实现灰度图像的拉伸可分为真拉伸和伪拉伸，真拉伸需要对图像进行一帧的缓存，伪拉伸其实是在前一帧计算出最大和最后灰度级的基础上完成当前图像的拉伸处理，这样比较节省资源。

1，计算灰度图像的最大最小灰度级A，B；

2，完成灰度图像的拉伸。

/**********************************copyright@FPGA OPEN SOURCE STUDIO微信公众号：FPGA开源工作室***********************************///800*600 = 480000//Pseudo histogram linear stretch//Algorithm:g(x,y) = 255*(f(x,y)-A)/(B-A)//B–Grayscale max//A–Grayscale minmodule 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–8bitreg [7:0] gray_r;reg vsync_r;reg hsync_r;reg de_r;wire [7:0]gray_max;//gray maxwire [7:0]gray_min;//gray minwire vsync_pos = (i_vsync&(!vsync_r));//frame startwire vsync_neg = (!i_vsync&vsync_r); //frame endassign 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;endalways @(posedge pixelclk or negedge reset_n)begin if(reset_n == 1b0) begingray_r<=0; end else beginif(i_de ==1b1) begin if(gray>gray_max) gray_r<=8d255; else if(gray gray_r<=8d255; else //gray_r<=255*(gray-gray_min)/(gray_max-gray_min);gray_r <=STRETCH(gray,gray_min,gray_max);end endendminmax#(.DW(8) )Uminmax( .pixelclk(pixelclk), .reset_n(reset_n), .din(gray),//gray–8 .i_hsync(i_hsync), .i_vsync(i_vsync), .i_de(i_de), .gray_max(gray_max),//gray max out .gray_min(gray_min)//gray min out ); function [7:0] STRETCH; input [7:0] gray,gray_min,gray_max; begin STRETCH = 255*(gray-gray_min)/(gray_max-gray_min); endendfunction endmodule/*Module name: minmax.vDescription: Get the maximum and minimum gray level of a frame of imageDate: 2019/12/02微信公众号： FPGA开源工作室*/`timescale 1ns/1psmodule 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 maxreg [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 startwire vsync_neg = (!i_vsync&vsync_r); //frame endalways @(posedge pixelclk) begin de_r <= i_de; vsync_r<=i_vsync;endalways @(posedge pixelclk or negedge reset_n)begin if(!reset_n) begin gray_maxr<= 8d0;gray_minr<= 8d255; end else begin if(i_vsync ==1b1 && i_de ==1b1) begin gray_maxr<= (gray_maxr>din)?gray_maxr:din; gray_minr<= (din>gray_minr)?gray_minr:din; endelse if(vsync_neg == 1b1)begin gray_max<= gray_maxr; gray_min<= gray_minr; gray_maxr<= 8d0; gray_minr<= 8d255;endelse begin gray_max<= gray_max; gray_min<= gray_min; gray_maxr<= gray_maxr; gray_minr<= gray_minr;end endendendmodule

未经拉伸的图像感觉蒙了一层雾，经过拉伸后图像对比度明显增强。

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