高动态范围（High Dynamic Range,HDR）图像相对低动态范围（Low Dynamic Range,LDR）图像可以呈现出更丰富的色彩和更多的亮度级别,能够达到计算机图形学及相关行业的要求,满足人们对高质量视觉体验的需求。传统的HDR图像通过合成同一场景多幅不同曝光的LDR图像得到,但是现存的LDR视觉媒体绝大部分只有单曝光版本,因而将包含信息有限的单张LDR转化为具备更多细节信息的HDR图像具有重要意义。但现有的单张LDR到HDR图像的转换一般都基于软件方案,算法复杂,且不具备实时性,应用场景有限。针对该问题,本文提出了一种基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的实时单张LDR转HDR图像的方案。首先采用反伽马校正线性化LDR图片的像素值,其次利用限制对比度的自适应直方图均衡算法（Contrast Limited Adaptive histogram equalization,CLAHE）提高图像的局部对比度,并通过图像分块和双线性插值的方式加速传统CLAHE算法,然后通过线性拉伸将图像拉伸到高动态范围,最后通过色彩校正恢复色彩饱和度,生成HDR图像。本文在电路设计中利用视频帧之间的相关性,去除了帧缓存,解决了缓存占用存储资源过大的问题,使系统对图像的处理速度翻倍;利用直方图生成和映射函数生成的时间先后关系,设计电路使直方图与映射函数对存储分时复用,进一步节约了存储资源;针对单张LDR到HDR转换方案都会出现的色彩饱和度丢失的问题,加入色彩校正电路,恢复由于亮度分量扩展所降低的色彩饱和度。本文对本方案与其他学者方案生成的HDR图像在主观和客观两方面进行了图像质量分析。分析结果表明,本文相对其他学者方案发掘出了更多肉眼难以见到的细节信息,同时对可见细节信息的保留程度更高,生成的HDR图像包含更多细节信息,与真实场景HDR图像感知差异更小,具备更高的感知质量。本文在Xilinx的Zynq XC7Z020 FPGA开发板上实现了一个单张LDR到HDR的图像转换系统。该系统工作于100 MHz的时钟频率,片上总功耗为1.883W,对分辨率为1024*768大小的图像可达124.5 fps（frame per second）的处理速度,能够实现对高帧率LDR视频的实时HDR转化。