考虑到FPGA的硬件特点，在接收图像数据、计算此场的直方图时，在FPGA内实现浮点型数据运算相对复杂且消耗较多逻辑资源，因此在对图像进行直方图统计时将各灰度级像素点的个数作为直方图数据：pu(uk)=nk，以避免使用浮点型数据运算。对直方图进行均衡化处理，得到原灰度到均衡化后灰度映射关系表。本设计中的直方图均衡化的算法具体的状态转移图如图4所示。其具体的转移条件：启动信号有效时，由st1转向st2；当计数器1计数到255时，跳转到st3；当计数器1没有计数到图像高度减1或者计数器2没有计数到图像宽度减1时，跳转到st3；当计数器1计数到图像高度减1且计数器2计数到图像宽度减1时，跳转到st5；当计数器1没有计数到255时，跳转到st6；当计数器计数到255时，跳转到st7；当计数器1计数到图像高度减1且计数器2计数到图像宽度减1时，跳转到st1状态；当计数器1没有计数到图像高度减1或者计数器2没有计数到图像宽度减1时，跳转到st6。在进行计数统计时，计数器在检测得到一个像素点的灰度之后，不仅要相应地将计数器加1，而且对应灰度值大于当前灰度值的所有计数器都加1，这样就能同时完成原始图像各像素灰度值的统计和累积，减少了统计时间。

　因为在灰度均衡处理过程中是以场为单位进行的，在灰度均衡化处理完之后，要将场合并为帧。其操作是由Nios II软核中的SDRAM控制器来完成奇偶场的合并。灰度均衡化的仿真结果图如图5所示。

3 视频输入模块
　视频输入模块的结构示意图如图6所示。经过灰度变换YcrCb4：2：2格式视频信号在像素时钟控制下输入FIFO缓冲器。彩条测试信号模块在系统测试时，给出一个非常简单的测试信号，可以模拟为信号源，以方便系统的调试。色度转换模块将YCrCb格式转换为RGB格式，并把其值写到FIFO缓冲器中。Avalon DMA把图像数据写到系统存储器(SDRAM)中，当完成一帧图像需写操作时，给Nios II处理器一个中断信号。

　在色度空间的转换模块中，采用FPGA片内的资源，利用MegaCore构造一个乘加器件完成运算。根据转换矩阵中YUV的比例关系，将信号放大一定的倍数，使其接近一个整数值。YUV信号的最大值为255，但是10 bit DATA可以接收1 023亮度等级的调节，所以这个比例可以放大4倍左右(如果超出1 023就按1 023的等级计算)。根据反复实验最后得出，按照如下的运算规则最接近转换矩阵：
　　
4 Nios II系统的生成
　用SoPC Builder可以进行系统模块硬件设计和底层软件生成。进行硬件模块设计时，SoPC Builder提供了图形化配置界面，备有一些常用外设的IP模块，如SDRAM、Flash RAM、UART、Interval timer、Parallel I/O等。Nios II软核所含的组件如图7所示。

　在SoPC Builder自带的IP核库中并没有I2C配置模块、视频输入模块和LCD controller模块的IP核，这些模块是根据寄存器特点以及功能要求自行设计的，并以IP核的形式通过Avalon总线连接到SoPC系统上。在建立了基于Nios II处理器的SoPC系统后，需要进行一些系统设置才能生成最终的Nios II系统。因此，系统配置除了对外设设置外，还包括启动程序、中断向量表、系统启动地址等的设置。
　本文介绍了基于SoPC技术的视频采集方案以及对视频信号进行灰度直方图统计及灰度均衡化的实现。该方案结合SoPC技术在软硬件可裁剪、可升级、可扩充等优点，大大缩短了系统整体设计周期，有很好的应用前景和科研价值。
参考文献
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[5] 鲁恒.基于FPGA的实时图像直方图均衡增强设计[J].电子应用技术，2006，32(11).

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