论文总字数：32313字

摘 要

随着显示技术的发展，人们对显示器件所表现出的显示画面质量要求不断提高。其中，对比度作为影响彩色图像画面的重要属性，受到人们的重视。本文将从彩色图像的对比度增强出发，采用FPGA实现FHD全高清分辨率下彩色画面的自适应对比度增强操作。在满足实时处理的同时改善彩色画面的对比度，提升用户的观看体验。

对比度增强的传统算法为直方图均衡，在此基础上又存在很多优秀的改进算法，但每种算法都有其特定的应用范围。因此，本文在直方图均衡的基础上开发出一种适用范围较为广泛的自适应对比度增强算法。该算法采用设置阈值参数的方式实现不同种处理算法之间的切换，针对不同的应用场景采用不同的对比度增强操作。为了保证处理的连续性与实时性，本文还采用视频处理中较为常见的乒乓操作来优化处理算法。算法经过Matlab仿真后在FPGA平台上运行实施，通过显示屏直观地看出处理的效果。

本文将算法运行在XC7K325t的FPGA芯片上，并采用1080P、60Hz的标准全高清视频源测试自适应对比度算法，通过输出显示器观察后发现，算法能满足实时处理的性能，在提高显示质量的同时做到画面的流畅播放。同时考虑到设计的可重复性，本文还对自适应对比度算法进行封装，以IP核的形式调用目标算法，完成整个视频处理流程的设计。实验结果表明，该IP在满足既定功能效果的情况下仅占用目标芯片中3.82%的LUT和1.67%的FF资源，符合实际设计规范的需求。

关键词：对比度增强、乒乓操作、FPGA视频处理、IP核封装与调用

Abstract

With the development of display technology, people's requirements on the quality of the display images are increasing sharply. The contrast, as an important factor of the color image, has attracted people's attention. In this paper, starting from the contrast enhancement of color images, FPGA is adopted to realize the adaptive contrast enhancement of color images at full HD resolution. It can improve the contrast of color images and enhance the viewing experience of users while processing in real-time.

The traditional algorithm of contrast enhancement is histogram equalization. On this basis, there are many excellent improved algorithms, but each algorithm has its specific application range. Therefore, this paper develops an adaptive contrast enhancement algorithm based on histogram equalization. This algorithm uses the method of setting threshold parameters to realize the switching between different processing algorithms, and uses different contrast enhancement operations for different application scenarios. In order to ensure the continuity and real-time processing, a ping-pong operation is also used to optimize the processing algorithm. After Matlab simulation, the algorithm implements on FPGA platform, and the processing effect can be seen directly through display screen.

In this paper, algorithm was implemented in XC7K325t FPGA chip, a 1080 p,60 Hz full HD video source was used to test adaptive contrast algorithm. By observing the output display, we found that the performance of the algorithm can meet the real-time processing, at the same time, it was fluent and can improve the quality of display. Considering the repeatability of the design, this paper also encapsulates the adaptive contrast algorithm and calls the target algorithm by IP core to complete the design of the whole video process. The experimental results show that this IP only occupies 3.82% of LUT and 1.67% of FF resources in the target chip. This means the IP core can meet the specified function and actual design demand.

KEY WORDS: Contrast enhancement, ping-pong operation, FPGA video processing, IP core’s encapsulation and call

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 数字图像处理技术 2

1.2.1 数字图像的概念 2

1.2.2 数字图像处理技术 2

1.3 现场可编程门阵列技术 3

1.3.1 FPGA技术简介 3

1.3.2 FPGA的IP封装 4

1.3.3 高层次综合功能 4

1.3.4 FPGA中的视频图像处理 5

1.4 项目设计工作 6

第二章 对比度增强算法 7

2.1 灰度图像的对比度增强算法 7

2.1.1 直方图均衡算法 7

2.1.2 直方图均衡改进算法 8

2.1.3 其他对比度增强算法 9

2.2 彩色图像的对比度增强算法 10

2.2.1 基于RGB空间的直方图均衡 10

2.2.2 基于YUV空间的直方图均衡 11

2.3 本文采用的对比度增强算法 13

2.3.1 自适应对比度算法的提出 13

2.3.2 自适应对比度算法的设计 15

2.4 本章小结 17

第三章 算法的FPGA实现 18

3.1 FPGA视频处理架构 18

3.2 自适应对比度增强算法的FPGA实现 19

3.2.1 YUV空间的对比度增强 19

3.2.2 基于乒乓操作的有限状态机设计 22

3.2.3 算法的硬件优化实现 23

3.3 本章小结 25

第四章 IP核的封装与应用测试 26

4.1 自适应对比度增强算法的FPGA实现效果 26

4.2 IP核的封装与说明 26

4.3 IP核的调用 28

4.4 资源占用分析 29

4.5 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

致谢 32

参考文献 33

绪论

引言

近年来显示技术发展飞速，人们对显示器件所表现出的图像画面质量要求越来越高，这种评价的指标体现在各个维度。从上个世纪的CRT显示开始，人们在不断地探索创造适用于不同应用场景的显示器件。彩色CRT的问世取代了黑白电视，液晶电视（LCD）以它本身独特的轻便、体积小等优势给CRT显示器画上句号。当前火热的量子点显示（QLED）、有机发光显示（OLED）、Micro-led也给LCD带来了巨大的挑战，在众多显示器件厂商相互竞争的市场下，用户的需求指标也一直都在变化，但本质上都是对画面质量的更高追求。

影响画面质量好坏的因素有很多：亮度、对比度、色域、分辨率、自然渐变等等；在每一种影响因素里，人们均做出了不同的改进措施，力求做到完美。显示器件的色域从最初的sRGB色域拓展到NTSC色域，将背光源器件调整成主动发光器件来获得无限大的对比度，从最初的标清显示（480P）到高清显示（720P）再到全高清（1080P）以及4k显示，分辨率逐步变大，画面的细节越来越能得到体现。由于每一种因素的影响效果也不仅仅是独立的，评价图像质量的好坏、探求各种影响因素之间的关系是一门严谨复杂的学科，不属于本文的讨论范畴之内。

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