當前基于軟核處理器的圖像系統已成為研究的熱點，使用FPGA來構建基于片上可編程系統(SoPC)的圖像處理系統，已成為一種趨勢[1]。因此，本文采用SoPC技術，在Altera公司單片Cyclone系列FPGA上使用IP資源復用技術集成了NiosII軟核處理器及各種輸入輸出接口，完成了對視頻圖像的采集、預處理、存儲和顯示幾大功能。本系統對圖像進行了灰度均衡化處理，使系統應用更廣。由于直方圖均衡能直接從已知的圖像中提取信息，不需要額外的參數說明，所以在軍用、航空、商業等領域，特別是紅外圖像增強領域[2]有實際的意義。SoPC是Altera公司提出來的一種靈活、高效的柔性設計，不需要修改硬件[3]，就可方便地擴展和修改嵌入式視頻采集功能。同時，由于融入眾多的IP核，保證了設計的高效、快速。

　　1 系統總體結構及工作原理

　　系統框圖如圖1所示。系統上電后，Nios II軟核中的I2C控制總線對視頻采集模塊SAA7113H進行配置，FPGA依靠像素時鐘和行、場信號同步采集SAA7113H芯片輸出的視頻信號中的灰度視頻數據，把采集到的灰度數據進行灰度直方圖統計和灰度分布均衡化處理。Nios II軟核外部加一個延遲模塊，與灰度轉換模塊輸出的信號同步之后，視頻輸入模塊開始工作，通過存儲控制、DMA控制器傳輸視頻信號，LCD顯示控制等模塊顯示所采集的信號。所有處理都采用流水線操作，大大節省了系統的處理時間。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 視頻解碼芯片SAA7113H初始化

　　本系統中視頻解碼器的初始化配置由Nios II軟核處理器通過I2C總線完成，主要包括對視頻解碼器的工作模式，輸出行、場同步參考信號的時序關系以及輸出數字信號的格式等進行設置。I2C總線是由Philips公司開發的一種兩線制總線，由一條串行數據線SDA和一條串行時鐘線SCL組成，可以實現數據通信，完成芯片配置。首先，I2C總線控制器發出一個數據傳輸的起始條件：SCL信號保持高電平、而SDA信號由高電平變為低電平時，開始傳輸地址數據流。起始條件滿足后，發出一個8 bit的設備從地址，所有的外圍設備開始響應起始條件并轉換下一個8 bit寄存器地址(7 bit地址+1 bit讀寫位)，由高位到低位依次傳輸。外圍設備識別出傳輸地址后，在第9個時鐘脈沖(確認位)把數據線變為低電平，然后開始將8 bit數據寫入或者讀出寄存器(讀寫位決定了數據的傳輸方向)。當時鐘線SCLK為高電平、而數據線SDA由低電平變為高電平時，表示一次數據傳輸完成，停止I2C總線，等待下一次的傳輸開始。圖2為I2C總線的數據傳輸時序圖。

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　　從SAA7113H的4個模擬輸入端AI11、AI12、AI21、AI22輸入的視頻圖像信號，經A/D轉換后產生數字色度信號和亮度信號，分別進行亮度信號處理和色度信號處理。亮度信號處理的結果送到色度信號處理器，進行綜合處理，產生YUV信號，經格式轉化后從VPO(8位)輸出。所有這些功能均是在I2C總線控制下完成。SAA7113的寄存器配置通過I2C總線來進行，遵從I2C總線協議。表1是SAA7113H寄存器的“寫”操作格式。

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　　其中，S為起始位，條件是SCL為高電平、SDA有下降沿、ACK-s為從動設備應答位，P為終止位。在初始化過程中要注意：SAA7113H的節點地址(Slave Address)上電、RTS0為高電平時，其I2C寫地址為48H，讀地址為49H；RTS0為低電平時，其I2C寫地址為4AH，讀地址為4BH。

　　2.2 灰度直方圖統計及其均衡化

　　通過輸入系統獲取的圖像信息中含有各種各樣的噪聲與畸變，例如，光照度不夠均勻會造成圖像灰度過于集中，由CCD獲得的圖像經過A/D轉換、線路傳送都會產生噪聲污染等，不可避免地會影響系統圖像的清晰程度，降低圖像質量。但通過圖像增強可以改善圖像質量。直方圖均衡化算法是空域圖像增強技術的重要算法，是圖像壓縮、圖像分割和圖像識別等后續圖像處理的基礎[2，4]，在圖像預處理技術中有廣泛的應用。

　　2.2.1 直方圖均衡化原理

　　直方圖均衡是以概率論為基礎，運用灰度點運算來實現直方圖變換。原始圖像的直方圖包含了豐富的圖像信息，描述了圖像的灰度級內容，反映了圖像的灰度分布情況。直方圖統計及均衡化的基本思想是對在圖像中像素個數多的灰度級進行展寬，而對像素個數少的灰度級進行縮減，從而達到清晰圖像的目的[5]。通過點運算使輸入圖像轉換為在每一灰度級上都有相同的像素點的數目。在圖像增強處理中運用如下公式：

　　(3)用累積分布函數作變換函數進行圖像灰度變換。