FPGA图像处理之rgbtogray算法的实现
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1.背景知识
在正是入题之前先给大家讲解一下gray图像，YUV图像以及Ycbcr图像。
Gray图像：灰度图像就是我们常说的黑白图像，由黑到白为灰阶为0-255。
YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号B－Y（即U）、R－Y（即V），最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。
Ycbcrr或Y'CbCr有的时候会被写作：YCBCR或是Y'CBCR，是色彩空间的一种，通常会用于影片中的影像连续处理，或是数字摄影系统中。Y'为颜色的亮度(luma)成分、而CB和CR则为蓝色和红色的浓度偏移量成份。Y'和Y是不同的，而Y就是所谓的流明(luminance)，表示光的浓度且为非线性，使用伽马修正(gamma correction)编码处理。
2.FPGA 实现RGB图像转Gray图像方法
一般RGB像转灰度（gray）图像有两种方法，第一种就是使用RGB图像的单通道去显示图像（R，G或B）。
其二就是讲RGB图像转换成Ycbcr图像，使用Y分量去显示图像，来实现彩色图像转灰度图。
3.RGB单通道实现灰度图像的转换
上图为整个图像显示的架构。我们采用RGB565格式。
RGB单通道实现灰度图像FPGA源码：
//----------------------------------------------------------------------
// R G B to gray
//----------------------------------------------------------------------
wire[15:0] rgb;
assignTFT_rgb = {rgb[15:11],rgb[15:11],1'b0,rgb[15:11]}; //red
//assignTFT_rgb = {rgb[10:6],rgb[10:5],rgb[10:6]}; //green
//assignTFT_rgb = {rgb[4:0],rgb[4:0],1'b1,rgb[4:0]}; //blue
//assignTFT_rgb = {rgb[4:0],rgb[4:0],1'b0,rgb[4:0]}; //blue
实现结果
原图
Red分量
Green分量
Blue分量
由上三个分量显示图像来看，Green分量显示效果较好。大家可以多试其他图像，这种方法比较简单，容易实现。
4 RGB图像转Ycbcr图像实现gray图像。
RGB转Ycbcr算法：
计算公式： Y = 0.183R + 0.614G + 0.062B + 16;
CB = -0.101R -0.338G + 0.439B + 128;
CR = 0.439R - 0.399G - 0.040B + 128;
其中，时序在计算过程中完全没有用到
输入到输出有三个clock的时延。
第一级流水线计算所有乘法；
第二级流水线计算所有加法，把正的和负的分开进行加法；
第三级流水线计算最终的和，若为负数取0；
Modelsim仿真部分希望自己去做。
RGB转Ycbcr FPGA源码：
/*
RGB转YUV算法
计算公式： Y = 0.183R + 0.614G + 0.062B + 16;
CB= -0.101R - 0.338G + 0.439B + 128;
CR= 0.439R - 0.399G - 0.040B + 128;
其中，时序在计算过程中完全没有用到
输入到输出有三个clock的时延。
第一级流水线计算所有乘法；
第二级流水线计算所有加法，把正的和负的分开进行加法；
第三级流水线计算最终的和，若为负数取0；
仿真通过
*/
`timescale1ns/1ps
module rgb_to_ycbcr(
input clk,
input [7 : 0] i_r_8b,
input [7 : 0] i_g_8b,
input [7 : 0] i_b_8b,
input i_h_sync,
input i_v_sync,
input i_data_en,
output [7 : 0] o_y_8b,
output [7 : 0] o_cb_8b,
output [7 : 0] o_cr_8b,
output o_h_sync,
output o_v_sync,
output o_data_en
);
/***************************************parameters*******************************************/
//multiply256
parameter para_0183_10b = 10'd47; //0.183 定点数
parameter para_0614_10b = 10'd157;
parameter para_0062_10b = 10'd16;
parameter para_0101_10b = 10'd26;
parameter para_0338_10b = 10'd86;
parameter para_0439_10b = 10'd112;
parameter para_0399_10b = 10'd102;
parameter para_0040_10b = 10'd10;
parameter para_16_18b = 18'd4096;
parameter para_128_18b = 18'd32768;
/********************************************************************************************/
/***************************************signals**********************************************/
wire sign_cb;
wire sign_cr;
reg[17:0] mult_r_for_y_18b;
reg[17:0] mult_r_for_cb_18b;
reg[17:0] mult_r_for_cr_18b;
reg[17:0] mult_g_for_y_18b;
reg[17:0] mult_g_for_cb_18b;
reg[17:0] mult_g_for_cr_18b;
reg[17:0] mult_b_for_y_18b;
reg[17:0] mult_b_for_cb_18b;
reg[17:0] mult_b_for_cr_18b;
reg[17:0] add_y_0_18b;
reg[17:0] add_cb_0_18b;
reg[17:0] add_cr_0_18b;
reg[17:0] add_y_1_18b;
reg[17:0] add_cb_1_18b;
reg[17:0] add_cr_1_18b;
reg[17:0] result_y_18b;
reg[17:0] result_cb_18b;
reg[17:0] result_cr_18b;
reg[9:0]y_tmp;
reg[9:0]cb_tmp;
reg[9:0]cr_tmp;
reg i_h_sync_delay_1;
reg i_v_sync_delay_1;
reg i_data_en_delay_1;
reg i_h_sync_delay_2;
reg i_v_sync_delay_2;
reg i_data_en_delay_2;
reg i_h_sync_delay_3;
reg i_v_sync_delay_3;
reg i_data_en_delay_3;
/********************************************************************************************/
/***************************************initial**********************************************/
initial
begin
mult_r_for_y_18b <= 18'd0;
mult_r_for_cb_18b <= 18'd0;
mult_r_for_cr_18b <= 18'd0;
mult_g_for_y_18b <= 18'd0;
mult_g_for_cb_18b <= 18'd0;
mult_g_for_cr_18b <= 18'd0;
mult_b_for_y_18b <= 18'd0;
mult_g_for_cb_18b <= 18'd0;
mult_b_for_cr_18b <= 18'd0;
add_y_0_18b <= 18'd0;
add_cb_0_18b <= 18'd0;
add_cr_0_18b <= 18'd0;
add_y_1_18b <= 18'd0;
add_cb_1_18b <= 18'd0;
add_cr_1_18b <= 18'd0;
result_y_18b <= 18'd0;
result_cb_18b <= 18'd0;
result_cr_18b <= 18'd0;
i_h_sync_delay_1 <= 1'd0;
i_v_sync_delay_1 <= 1'd0;
i_data_en_delay_1 <= 1'd0;
i_h_sync_delay_2 <= 1'd0;
i_v_sync_delay_2 <= 1'd0;
i_data_en_delay_2 <= 1'd0;
end
/********************************************************************************************/
/***************************************arithmetic*******************************************/
//LV1pipeline : mult
always @(posedge clk)
begin
mult_r_for_y_18b <= i_r_8b *para_0183_10b;
mult_r_for_cb_18b <= i_r_8b *para_0101_10b;
mult_r_for_cr_18b <= i_r_8b *para_0439_10b;
end
always @(posedge clk)
begin
mult_g_for_y_18b <= i_g_8b *para_0614_10b;
mult_g_for_cb_18b <= i_g_8b * para_0338_10b;
mult_g_for_cr_18b <= i_g_8b *para_0399_10b;
end
always @(posedge clk)
begin
mult_b_for_y_18b <= i_b_8b *para_0062_10b;
mult_b_for_cb_18b <= i_b_8b *para_0439_10b;
mult_b_for_cr_18b <= i_b_8b *para_0040_10b;
end
//LV2pipeline : add
always @(posedge clk)
begin
add_y_0_18b <= mult_r_for_y_18b +mult_g_for_y_18b;
add_y_1_18b <= mult_b_for_y_18b +para_16_18b;
add_cb_0_18b <= mult_b_for_cb_18b +para_128_18b;
add_cb_1_18b <= mult_r_for_cb_18b +mult_g_for_cb_18b;
add_cr_0_18b <= mult_r_for_cr_18b +para_128_18b;
add_cr_1_18b <= mult_g_for_cr_18b +mult_b_for_cr_18b;
end
//LV3pipeline : y + cb + cr
assign sign_cb = (add_cb_0_18b >=add_cb_1_18b);
assign sign_cr = (add_cr_0_18b >=add_cr_1_18b);
always @(posedge clk)
begin
result_y_18b <= add_y_0_18b +add_y_1_18b;
result_cb_18b <= sign_cb ?(add_cb_0_18b - add_cb_1_18b) : 18'd0;
result_cr_18b <= sign_cr ?(add_cr_0_18b - add_cr_1_18b) : 18'd0;
end
always @(posedge clk)
begin
y_tmp <= result_y_18b[17:8] +{9'd0,result_y_18b[7]};
cb_tmp <= result_cb_18b[17:8] +{9'd0,result_cb_18b[7]};
cr_tmp <= result_cr_18b[17:8] +{9'd0,result_cr_18b[7]};
end
//output
assign o_y_8b =(y_tmp[9:8] == 2'b00) ? y_tmp[7 : 0] : 8'hFF;
assign o_cb_8b =(cb_tmp[9:8] == 2'b00) ? cb_tmp[7 : 0] : 8'hFF;
assign o_cr_8b =(cr_tmp[9:8] == 2'b00) ? cr_tmp[7 : 0] : 8'hFF;
/********************************************************************************************/
/***************************************timing***********************************************/
always @(posedge clk)
begin
i_h_sync_delay_1 <= i_h_sync;
i_v_sync_delay_1 <= i_v_sync;
i_data_en_delay_1 <= i_data_en;
i_h_sync_delay_2 <= i_h_sync_delay_1;
i_v_sync_delay_2 <= i_v_sync_delay_1;
i_data_en_delay_2 <=i_data_en_delay_1;
i_h_sync_delay_3 <= i_h_sync_delay_2;
i_v_sync_delay_3 <= i_v_sync_delay_2;
i_data_en_delay_3 <=i_data_en_delay_2;
end
//--------------------------------------
//timing
//--------------------------------------
assign o_h_sync = i_h_sync_delay_3;
assign o_v_sync = i_v_sync_delay_3;
assign o_data_en = i_data_en_delay_3;
/********************************************************************************************/
Endmodule
代码2：
////////////////////////////////////////////////////////////////
wire[15:0] rgb;
wire hs;
wire vs;
wire de;
wire[7 :0] o_y_8b;
wire[7 :0] o_cb_8b;
wire[7 :0] o_cr_8b;
assignTFT_rgb = {o_y_8b[7:3],o_y_8b[7:2],o_y_8b[7:3]}; //Y
//assignTFT_rgb = {o_cb_8b[7:3],o_cb_8b[7:2],o_cb_8b[7:3]}; //cb
//assignTFT_rgb = {o_cr_8b[7:3],o_cr_8b[7:2],o_cr_8b[7:3]}; //cr
代码已经过验证，实现效果
原图
Y分量实现效果
此方法实现RGB转gray图像效果较好。
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