基于FPGA的HDTV视频图像灰度直方图统计算法设计

　　随着HDTV的普及，以LCD-TV为主的高清数字电视逐渐进入蓬勃发展时期。与传统CRT电视不同的是，这些高清数字电视需要较复杂的视频处理电路来驱动，比如：模数转换（A/D Converter）、去隔行（De-interlacer）、视频缩放（Scaler）和视频图像增强（Video Enhancement）等等。由于HDTV的带宽较高，720p信号（1280×720@60Hz）的像素速率达到74MHz,因此针对HDTV的视频处理算法需要更高性能的器件。采用大规模高工艺的ASIC芯片是目前这个问题的主要解决方案，Pixelworks、Genesis等公司均推出了基于大规模ASIC的解决方案。但是，随着FPGA工艺的不断改善，其性价比与日俱增，尤其是Xilinx、Altera等厂商纷纷采用90nm工艺量产后，其价格不断降低，Xilinx推出的Spartan-3E系列FPGA 120万门的售价只有9美元，已经在小量产品的IC设计中开始替代结构化ASIC,在数字高清电视这类价格敏感型消费类电子产品中也开始大量采用。

　　本文介绍了如何在FPGA中利用Block RAM的特殊结构实现HDTV视频增强算法中灰度直方图统计。

灰度直方图统计

灰度直方图统计是图像处理过程中很常用的一个步骤，简单来讲，就是对一幅图像各个灰度的像素进行计数，得到一张灰度分布表。例如，8位量化的灰度图像统计结果就是256个值，分别代表0-255 每个灰度像素的数量，如图1 所示为Lena图像的灰度直方图统计结果。直方图是分析一幅图像亮度分布特性有力的工具，根据它的结果可以进行诸如灰度拉伸、自动对比度、动态伽马调整等操作。

图1 Lena图像的灰度直方图统计

FPGA算法统计

　　在计算机或者DSP上实现直方图统计时，我们通常会使用数组结构，即在内存中开辟一个整数数组来进行计数，但是在FPGA中定义数组是非常消耗资源的，尤其是当数组成员的位宽很大时。例如用触发器来统计256灰度的720p图像的直方图，将消耗4000个逻辑单元（每个逻辑单元是一个四输入查找表），这几乎消耗了一个Spartan-3E 25万门器件（XC3S250E）80%的逻辑资源。

　　幸运的是，FPGA器件提供了一个很好的结构可以处理这类问题，这就是Block RAM.在Altera和Xilinx的各型号FPGA器件上都集成了一种称为Block RAM的片上内存，它们以若干Kbits为一块，不同型号集成不同数量的块，例如在Spartan-3E系列中以18Kbits为一块，在规模最小的型号XC3S100E上集成了4块这样的内存，如图2 所示：

图2 Spartan-3E系列FPGA集成的Block RAM

这种内存很容易实现数组类型的结构，而且这种内存被设计成双端口方式，即可以用两组独立的地址数据总线来读写，因此可以用不到一块的Block RAM就实现256×24这样的高位宽计数器阵列来进行HDTV视频图像的直方图统计，如图3所示：

图3 用Block RAM实现计数器阵列

　　以Block RAM的结构为核心，按照以下几点来设计直方图统计算法：

　　1.Block RAM使用双端口方式，端口A用来将内存单元计数值读出，端口B将计数值加一后写回该内存单元。

　　2.内存的地址在像素有效时由像素灰度值选择，在行同步期间不计数，在场同步期间使用一个递增计数器在前256个时钟将统计结果输出，在之后的256个时钟将RAM 块清零。

　　3.双端口读写时钟相位相差180度，以避免双端口读写冲突。

　　4.数据的读出、加一和写入采用了流水线结构以提高性能，所以在地址控制上要进行适当暂存以保证数据同步。

　　图4为256级灰度720p视频图像直方图统计的算法实现功能框图：

图4 用FPGA的Block RAM实现直方图统计

　　该算法借助FPGA??上的高性能Block RAM（读写速度可以到200 兆以上），可以实现SMPTE定义的从720p到1080p的各种HDTV视频图像的实时直方图统计，仅占用FPGA不到一百个逻辑单元和一块Block RAM,是一种性价比较高的FPGA实现直方图统计的算法，而且该算法具有很好的通用性，可以应用到各种需要大量高位宽计数器的高速FPGA设计中。

参考文献：

　　1.Xilinx,Spartan-3E FPGA datasheet,2005.3
　　2.Xilinx,Using Block RAM in Spartan-3 Generation FPGAs,2005.3