直方圖概念和分類

圖像直方圖用作數(shù)字圖像中色調(diào)分布的圖形表示。它繪制了每個(gè)色調(diào)值的像素?cái)?shù)。通過查看特定圖像的直方圖，觀看者將能夠一目了然地判斷整個(gè)色調(diào)分布。

圖表的水平軸代表色調(diào)變化，而垂直軸代表該特定色調(diào)的像素總數(shù)。

水平軸的左側(cè)表示暗區(qū)，中間表示中間色調(diào)值，右側(cè)表示亮區(qū)。縱軸表示在每個(gè)區(qū)域中捕獲的區(qū)域大小（像素總數(shù)）。

因此，非常暗圖像的直方圖的大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)將位于圖的左側(cè)和中心。

相反，具有很少黑暗區(qū)域或陰影的非常明亮的圖像的直方圖的大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)將位于圖的右側(cè)和中心。

在FPGA處理中常用的是灰度直方圖，灰度直方圖描述了一幅圖像的灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)信息，主要應(yīng)用于圖像分割、圖像增強(qiáng)及圖像灰度變換等處理過程。

而FPGA對(duì)于直方圖處理主要分為以下三種：

我們常見或者聽說的直方圖概念主要指直方圖均衡，這也是最簡(jiǎn)單的一種方式，常見某些入門級(jí)的圖像處理書籍或者文章。直方圖規(guī)定化和直方圖拉伸我們后面慢慢介紹，先重點(diǎn)介紹直方圖均衡。公眾號(hào)：OpenFPGA

直方圖統(tǒng)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

從數(shù)學(xué)上來說，圖像直方圖描述的是圖像各個(gè)灰度級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性，它是用圖像灰度值的一個(gè)函數(shù)來統(tǒng)計(jì)一幅圖像中各個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)或概率，其數(shù)學(xué)定義如下所示:公眾號(hào)：OpenFPGA

直方圖統(tǒng)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的，將彩色圖像轉(zhuǎn)成灰度圖像后就可以統(tǒng)計(jì)了，偽代碼如下：公眾號(hào)：OpenFPGA

unsignedintpHistCnt[256];
inti,j=0;
memset(pHistCnt,0,256);
for(i=0;i

	

	上面的代碼就是遍歷圖像將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)里即可。

	

	上圖中右邊是左邊圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)。

	實(shí)際用FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候一般會(huì)用到歸一化的直方圖，即不關(guān)心實(shí)際每個(gè)灰度值的具體值而是出現(xiàn)的概率。具體為假定一幅圖像的像素個(gè)數(shù)為N(N=圖像長(zhǎng)度*圖像寬度)，灰度級(jí)總數(shù)為L(zhǎng)(級(jí)數(shù)和圖像的位數(shù)有關(guān)，假定是8位圖像，則總數(shù)為2^8=256)，這時(shí)候圖像中灰度級(jí)l（小L）的像素總數(shù)為 。每個(gè)灰度級(jí)除以總像素?cái)?shù)即得到各個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)的概率：公眾號(hào)：OpenFPGA

	上面的公式有個(gè)別稱：直方圖概率密度函數(shù)（也稱歸一化的灰度直方圖），記為PDF

	直方圖統(tǒng)計(jì)完能干嘛呢？很明顯的是從直方圖中能讀取到圖像的亮度和對(duì)比度信息。若直方圖的統(tǒng)計(jì)主要偏向右側(cè)分布，那么圖像相對(duì)較亮；反之亦然。當(dāng)直方圖統(tǒng)計(jì)分布比較均勻時(shí)，這時(shí)候圖像的對(duì)比度較大，若直方圖統(tǒng)計(jì)分布比較集中時(shí)，則圖像對(duì)比度較小。公眾號(hào)：OpenFPGA

	下面幾張圖說明了上面的結(jié)論：

	

	較暗的圖像，同時(shí)對(duì)比度較低 較亮的圖像，同時(shí)對(duì)比度較低 對(duì)比度很高的圖像

	FPGA功能分析

	對(duì)于FPGA進(jìn)行直方圖操作的時(shí)候有兩種方式，一種是真操作，一種是偽操作：真操作就是將圖像緩存后進(jìn)行后續(xù)處理（均衡等），然后再將圖像發(fā)送出去；偽操作就是將圖像流水過后將需要的信息進(jìn)行緩存，然后在下一幅圖像來之后，將前一副圖像得到的信息作用于當(dāng)前圖像。由于常用的操作是基于視頻幀，避免視頻延遲過大，所以我們一般常用偽操作，即緩存當(dāng)前幀信息后作用后一幀圖像。

	上面的特點(diǎn)我們一般選擇片內(nèi)雙口 RAM 作為緩存存儲(chǔ)器。對(duì)于 8 位的深度圖來說，統(tǒng)計(jì)結(jié)果的數(shù)據(jù)量并不大，因此選擇片內(nèi)存儲(chǔ)。此外，一方面統(tǒng)計(jì)模塊需要與其他時(shí)序進(jìn)行配合，因此需提供雙邊讀寫接口；另一方面，統(tǒng)計(jì)過程中需要地址信息，因此選擇 RAM 形式的存儲(chǔ)器。

	基上，直方圖統(tǒng)計(jì)步驟如下：

	將當(dāng)前統(tǒng)計(jì)值讀出，加 1 后重新寫入 RAM

	重復(fù)以上步驟，直到當(dāng)前圖像統(tǒng)計(jì)完畢

	在下一幅圖像到來之前將結(jié)果讀出

	讀出之后對(duì) RAM 內(nèi)容進(jìn)行清零

	因此，我們需要三個(gè)電路完成直方圖統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)電路、讀出電路和清零電路。

	

	關(guān)于這三個(gè)電路設(shè)計(jì)我們下期文章再詳細(xì)介紹。

	FPGA電路設(shè)計(jì)

	FPGA代碼設(shè)計(jì)

	思考

	若圖像直方圖是分段式集中應(yīng)該怎么處理比較合適？

	后續(xù)文章：

	直方圖均衡及FPGA實(shí)現(xiàn)

	直方圖規(guī)定化及FPGA實(shí)現(xiàn)

	原文標(biāo)題：FPGA直方圖操作

	審核編輯：湯梓紅