基于FPGA的图像直方图均衡化处理verilog实现,包含tb测试文件和MATLAB辅助验证

简介: 摘要:在FPGA上实现了图像直方图均衡化算法,通过MATLAB2022a与Vivado2019.2进行仿真和验证。核心程序涉及灰度直方图计算、累积分布及映射变换。算法旨在提升图像全局对比度,尤其适合低对比度图像。FPGA利用可编程增益器和查表技术加速硬件处理,实现像素灰度的均匀重分布,提升视觉效果。![image preview](https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/3tnl7rfrqv6tw_a075525027db4afbb9c0529921fd0152.png)

1.算法运行效果图预览
FPGA的仿真图如下:
image.png

将数据导入MATLAB,对比结果如下:

image.png

2.算法运行软件版本
MATLAB2022a

vivado2019.2

3.部分核心程序

````timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/01/19 01:47:15
// Design Name:
// Module Name: im2bw
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//

module im_hist(
input i_clk,
input i_rst,

        input i_image_en,
        input i_image_end,
        input[7:0] i_image,            

        output o_en_eq,
        output[7:0] o_image_eq            
    );

wire en_hist;
wire[7:0] w_hist;
//直方图
hist hist_u(
.i_clk (i_clk),
.i_rst (i_rst),
.i_image (i_image[7:0]),
.i_image_en (i_image_en),
.i_image_end(i_image_end),
.o_hist_en (en_hist),
.o_hist (w_hist)
);

//均衡输出
hist_eq hist_eq_u(
.i_clk (i_clk),
.i_rst (i_rst),
.i_hist_en (en_hist),
.i_hist (w_hist[7:0]),
.i_image_en (i_image_en),
.i_image (i_image[7:0]),
.o_image_en (o_en_eq),
.o_image (o_image_eq)
);

endmodule

0X_036m

```

4.算法理论概述
图像直方图均衡化是一种图像处理技术,旨在改善图像的全局对比度,通过重新分配图像的像素值,使得图像的直方图更加均匀。对于灰度的分布更加平滑,图像的视觉效果更佳。这一过程特别适用于那些整体偏暗或偏亮、对比度不足的图像。

原理

灰度直方程分布: 首先,计算原图的灰度直方程H(r),它表示每个灰度级的像素数。对于8位图像,灰度级从0到2555,H(i)表示灰度i的像素数。

累积分布: 接下来,计算累积分布H'(r),对H累加和,反映每个灰度累积像素数,直到当前灰度。

映射变换: 基于H',对每个像素灰度i映射到新的灰度j,使得新映射后的直方程更均匀。映射函数查找表实现此映射变换。

FPGA实现: 在硬件上,FPGA可编程增益器设置为每个通道的增益,对应映射表的增益系数。这样,原图像的每个像素经PGA后,通过查表映射到新的灰度,实现均衡化。

image.png

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