视频图像处理是FPGA主要应用方向之一，很多FPGA从事或准备进入这一领域，我们现在开始发布新的FPGA实战专栏——FPGA图像处理。

FPGA处理视频图像处理的主要优势是流水线和并行处理运算，特别是现在视频分辨率越来越大，从720p到1080p，再到4k，还有更大的8k，数据量越来越大，FPGA非常适合这样的实时性要求非常高的领域。

通过这篇文章，大家可以解决一下几个问题：

1、图像是什么？如何理解？

2、图像有哪些重要参数或特性？

3、图像处理有哪些常见内容。

一、专栏​介绍

本专栏将全方位介绍“FPGA图像处理实战”，图像处理相关的各种算法，包括图像二值化、图像缩放、图像腐蚀、图像膨胀、图像识别等等，提供完整的设计理论分析参考和可以应用到实际项目的代码工程。

这里给提供一个思维导图给大家参考下：

FPGA图像处理是FPGA学习入门非常好的一个方向，可以没有FPGA开发板，只需要仿真​即可学习；当然，如果能够上板调试，就更好，更接近实战项目。

二、图像处理基础知识

1、图像是什么？

一个图像可以看成一个二维矩阵，如果进一步考虑图像的色彩，可以看作一个三维矩阵——多个维度用来储存色彩信息。

这个三维矩阵通常是用三原色（红、绿、蓝）来表示，一般简写为（R，G，B），也就是每个原色对应一个不同的平面，如下图所示。

图像的每一个点称为像素，每一个像素的色彩可以用三原色RGB的强度值来表示，如果每一个像素的数据位宽为8bit，则三原色每一个维度的取值范围为0～255，例如（R，G，B）=（255，0，0）来表示红色。

2、图像颜色平面

将一个图像按照三原色分成不同的平面，如下图所示，第一张图是原图，其它的图像依次是红色、绿色、蓝色三个平面。

颜色强度高的地方显示为亮色，强度低为暗色。

从图中可以看到红色平面图片最亮，红色对图片强度影响更多。

图像的颜色信息，需要占用一定数据存储空间，称为颜色深度。如果每一个颜色平面用8bit表示（颜色位深），那图像总平面的颜色深度为8＊3=24 bit，也就是总共有2＾24种不同颜色。如果颜色位深用10bit表示，则有2＾30种不同颜色。

3、分辨率

图像分辨率，也就是一个平面内像素的数量。通常表示成宽*高，例如下面这张4x4的图片。

图像还有一个属性是宽高比，用于描述图像或像素的宽度和高度之间的比例关系。

当人们说这个电影或照片是 16:9 时，通常是指显示宽高比（DAR），然而我们也可以有不同形状的单个像素，我们称为像素宽高比（PAR）。

例如​虽然 DVD 的实际分辨率（DAR）是 704x480，但它依然保持 4:3 的宽高比，因为它有一个 10:11（704x10／480x11）的 PAR。

4、颜色空间

（1）RGB 颜色空间

RGB颜色空间由三个分量组成：红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）。

在 RGB 颜色空间中，每个颜色分量取值范围为 0-255，三个分量组合起来可以表示多种颜色。

RGB 颜色空间适用于计算机图形学和显示器系统。

（2）HSV 颜色空间

这是一种基于感知的颜色模型。它由三个分量组成：色相（H）、饱和度（S）和明度（V）。

HSV 颜色空间中的色相表示颜色的种类，饱和度表示颜色的纯度，明度表示颜色的明暗程度。

HSV 颜色空间适用于图像处理和计算机视觉任务，因为它能够较好地表示人眼对颜色的感知。

（3）CMYK 颜色空间

由四个分量组成：青（C）、品红（M）、黄（Y）和黑（K）。

CMYK 颜色空间中的每个分量表示一种颜色，它们相互叠加生成其他颜色。

CMYK 颜色空间适用于彩色印刷。

（4）YUV/YCbCr颜色空间

YUV和YCbCr颜色空间主要用于视频系统和图像处理领域。

它们是由RGB颜色空间转换而来的，分别包含三个分量：亮度（Y）、色差（U）和色度（V）。

YUV/YCbCr颜色空间适用于彩色视频处理，如颜色调整、滤波和压缩等。

5、亮度、色调、饱和度、对比度

（1）亮度（brightness）

亮度是指颜色的明暗程度，它描述了光源照亮物体的程度。

亮度值越高，颜色越明亮；亮度值越低，颜色越暗淡。

（2）色调（hue）

色调是颜色的基本属性，它决定了颜色的种类。

色调是由光谱中的波长组成的，人眼能感知到的色调范围约为 360 种。

（3）饱和度（saturation）

饱和度是指颜色的纯度，它描述了颜色中所含灰色的程度。

饱和度越高，颜色越纯，显得越鲜艳；饱和度越低，颜色越接近灰色，显得越淡。

（4）对比度（Contrast）

对比度是描述图像或显示设备中明暗差异程度的物理量，它是图像处理和显示技术中一个重要的性能指标。

对比度体现了图像中最亮和最暗区域之间的差异，对于图像的清晰度和视觉效果具有重要影响。

6、常见图像文件格式

（1）BMP

这是一种无损压缩格式，主要用于 Windows 操作系统。

BMP 格式包含丰富的图像信息，但文件体积较大。

它适用于简单的图形和线条图，但对于复杂图像和照片不太适用。

（2）JPEG

这是一种有损压缩格式，广泛应用于数字相机和计算机图像处理。

JPEG 格式可以将图像压缩在较小的存储空间，但会损失一定的图像质量。

（3）PNG

​这是一种无损压缩格式，支持透明通道，适用于网络和计算机图形设计。

PNG 格式具有较高的压缩比，同时保持图像质量不变。

它支持 alpha 通道（透明度）、色度信息和图像滤镜。

（4）GIF

这是一种有损压缩格式，主要用于网络传输动态图像和低颜色数量的图片。

GIF 格式支持动画、透明度和颜色压缩，但图像质量相对较低。

（5）TIFF

这是一种无损压缩格式，适用于专业摄影和图像处理。

TIFF 格式支持高质量图像存储，但文件体积较大。它适用于存储高质量的照片、插图和设计作品。

（6）SVG

这是一种基于 XML 的矢量图形格式，适用于网络和印刷设计。

SVG 格式支持图形、文字、动画和交互性，同时保持图像质量不变。

它适用于简单的图形和复杂的设计，但文件体积较大。

7、数字图像处理常见内容

图像二值化、图像变换、图像增强、图像拼接、图像压缩编码、图像分割、图像分析与描述、图像的识别等等。

后面章节将会详细介绍各种算法。

8、数字图像处理系统

输入（采集）；存储；图像处理与分析；输出（显示）；

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