【数字图像处理】Gamma 变换

在数字图像处理中，Gamma 变换是一种重要的灰度变换方法，可以用于图像增强与 Gamma 校正。本文主要介绍数字图像 Gamma 变换的基本原理，并记录在紫光同创 PGL22G FPGA 平台的布署与实现过程。

目录

1. Gamma 变换原理

2. FPGA 布署与实现

2.1 功能与指标定义

2.2 模块设计

2.3 上板调试

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1. Gamma 变换原理

        在摄像机成像过程中，人们使用了 Gamma 编码对图像进行处理，这样做的好处是能更好地记录与存储图像。

        采用 Gamma 编码的图像在显示器上显示时，需要进行 Gamma 校正，以还原图像。

Gamma 校正可以用以下变换公式表示：

其中， 是输入图像某一点的亮度值， 是输出图像上对应点的亮度值。

（1）当 0 < gamma < 1 时，图像在低灰度值区域，动态范围变大，整体图像的灰度值变大；

（2）当 gamma > 1 时，图像在高灰度值区域，动态范围变大，整体图像的灰度值变小。

使用 Matlab 进行验证，代码如下：

clc, clear% 读取图像
im = imread('./loopy.png');
im = im2double(im);% gamma变换
invgamma = 2.2;
gamma = 1/invgamma;
im_new = im.^gamma;subplot(121)
imshow(im2uint8(im))
title('原图像')
subplot(122)
imshow(im2uint8(im_new))
title('处理后图像')

参考链接：Understanding Gamma Correction (cambridgeincolour.com)

2. FPGA 布署与实现

2.1 功能与指标定义

        使用紫光同创 FPGA 平台实现 Gamma 变换功能，FPGA 需要实现的功能与指标如下：

（1）与电脑的串口通信，用于接收上位机下发的 Gamma 曲线和原始图像，波特率为 256000 Bd/s；

（2）Gamma 变换，使用 FPGA 嵌入式 RAM，实现 Gamma 曲线的缓存与查表；

（3）DDR3 读写控制，将处理前后的图像数据分别写入 DDR3 的不同区域，实现图像的拼接；

（4）HDMI 输出，输出一路 HDMI 信号源，用于将拼接后的图像显示在外接显示器上，分辨率为 1024×768。

2.2 模块设计

        主要的设计模块层次与功能说明如下：

模块名称		功能说明
top_uart	uart_rx_slice	串口接收驱动模块
	uart_rx_parse	串口数据解析模块，从上位机接收 8bit 原始图像，以及 Gamma 曲线数据
top_vidin	vidin_pipeline	缓存两行图像数据，并将数据提交到 ddr3 数据调度模块
	conv_gamma	Gamma 变换模块，使用 DPRAM 存储器进行 Gamma 查表
merge_out	dvi_timing_gen	HDMI 视频时序产生模块
	dvi_ddr_rd	根据 HDMI 控制信号，提交读指令到 ddr3 数据调度模块
	dvi_encoder	HDMI 输出编码（8b10b 编码）与输出驱动模块

        其中，conv_gamma 模块主要使用 dpram 查表的方式，对原始图像的 RGB 分量分别进行 Gamma 变换，模块代码如下：

`timescale 1 ns/ 1 psmodule conv_gamma (// System levelsys_rst,sys_clk,// Gamma parameter inputpara_gamma_waddr,para_gamma_data,para_gamma_wren,// Gamma data input and outputgamma_in_data,gamma_out_data
);// IO direction/register definitions
input              sys_rst;
input              sys_clk;
input  [7:0]       para_gamma_waddr;
input  [7:0]       para_gamma_data;
input              para_gamma_wren;
input  [23:0]      gamma_in_data;
output [23:0]      gamma_out_data;// internal signal declarations
reg    [7:0]       blk_mem_waddr;
reg    [7:0]       blk_mem_wdata;
reg                blk_mem_wren;// gamma_dpram_inst_r: Block dpram for gamma data buffer
blk_mem_256x8b_gamma gamma_dpram_inst_r (.wr_data       (blk_mem_wdata          ), // input 8-bit.wr_addr       (blk_mem_waddr          ), // input 8-bit.wr_en         (blk_mem_wren           ), // input 1-bit.wr_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.wr_rst        (sys_rst                ), // input 1-bit.rd_addr       (gamma_in_data[2*8+:8]  ), // input 8-bit.rd_data       (gamma_out_data[2*8+:8] ), // output 8-bit.rd_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.rd_rst        (sys_rst                )  // input 1-bit
);
// End of gamma_dpram_inst_r instantiation// gamma_dpram_inst_g: Block dpram for gamma data buffer
blk_mem_256x8b_gamma gamma_dpram_inst_g (.wr_data       (blk_mem_wdata          ), // input 8-bit.wr_addr       (blk_mem_waddr          ), // input 8-bit.wr_en         (blk_mem_wren           ), // input 1-bit.wr_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.wr_rst        (sys_rst                ), // input 1-bit.rd_addr       (gamma_in_data[1*8+:8]  ), // input 8-bit.rd_data       (gamma_out_data[1*8+:8] ), // output 8-bit.rd_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.rd_rst        (sys_rst                )  // input 1-bit
);
// End of gamma_dpram_inst_g instantiation// gamma_dpram_inst_b: Block dpram for gamma data buffer
blk_mem_256x8b_gamma gamma_dpram_inst_b (.wr_data       (blk_mem_wdata          ), // input 8-bit.wr_addr       (blk_mem_waddr          ), // input 8-bit.wr_en         (blk_mem_wren           ), // input 1-bit.wr_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.wr_rst        (sys_rst                ), // input 1-bit.rd_addr       (gamma_in_data[0*8+:8]  ), // input 8-bit.rd_data       (gamma_out_data[0*8+:8] ), // output 8-bit.rd_clk        (sys_clk                ), // input 1-bit.rd_rst        (sys_rst                )  // input 1-bit
);
// End of gamma_dpram_inst_b instantiationalways @(posedge sys_rst or posedge sys_clk) beginif (sys_rst) beginblk_mem_waddr <= {8{1'b0}};blk_mem_wdata <= 8'h00;blk_mem_wren  <= 1'b0;endelse beginblk_mem_waddr <= para_gamma_waddr;blk_mem_wdata <= para_gamma_data;blk_mem_wren  <= para_gamma_wren;end
end
endmodule

2.3 上板调试

        使用 PyQt5 和 OpenCV 库编写上位机程序，通过串口发送 Gamma 曲线和原始图像数据，代码如下：

# -*- Coding: UTF-8 -*-
import cv2
import sys
import struct
import numpy as np
import pyqtgraph as pg
from PyQt5 import Qt, QtGui, QtCore, QtWidgets, QtSerialPortclass sliderWindow(Qt.QWidget):def __init__(self, parent=None):super(sliderWindow, self).__init__(parent)self.setGeometry(1250, 320, 400, 400)self.setWindowTitle("Slider Window")# 创建绘图窗口self.plot_graph = pg.PlotWidget()self.plot_graph.setBackground('#303030')self.plot_graph.setXRange(0,1)self.plot_graph.setYRange(0,1)self.plot_graph.showGrid(x=True, y=True)gray = np.linspace(0, 1, 255)gamma = np.array(np.power(gray, 1))self.pen = pg.mkPen(color=(255, 255, 255), width=5, style=QtCore.Qt.SolidLine)self.plot_graph.plot(gray, gamma)# 创建底部滑动条self.label = QtWidgets.QLabel("1.00")self.slider = QtWidgets.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)self.slider.setMinimum(20)self.slider.setMaximum(400)self.slider.setValue(100)#self.slider.setSingleStep(1)self.slider.setTickInterval(10)self.slider.setTickPosition(QtWidgets.QSlider.TicksBelow)self.slider.valueChanged.connect(self.valueChanged)bottomLayout = QtWidgets.QHBoxLayout()bottomLayout.addWidget(self.label)bottomLayout.addWidget(self.slider)# 创建中心布局centralLayout = QtWidgets.QVBoxLayout()centralLayout.addWidget(self.plot_graph)centralLayout.addLayout(bottomLayout)self.setLayout(centralLayout)def valueChanged(self):"""更新参数值"""if self.slider.value() == 0:float_value = 0.01else:float_value = self.slider.value() /100.0self.label.setText("{:.2f}".format(float_value))self.updatePlot(float_value)def updatePlot(self, gamma):gray = np.linspace(0,1,255)gray_gamma = np.array(np.power(gray, 1/gamma))self.plot_graph.clear()self.plot_graph.plot(gray, gray_gamma)class mainWindow(Qt.QWidget):def __init__(self, com_port, parent=None):super(mainWindow, self).__init__(parent)self.setFixedSize(530, 384)self.setWindowTitle("PGL OpenCV Tool")# 创建标签与按钮self.img_widget = QtWidgets.QLabel()self.btn1 = QtWidgets.QPushButton("打开")self.btn1.clicked.connect(self.getfile)self.btn2 = QtWidgets.QPushButton("关闭")self.btn2.clicked.connect(self.close)# 创建布局centralLayout = QtWidgets.QVBoxLayout()centralLayout.addWidget(self.img_widget)bottomLayout = QtWidgets.QHBoxLayout()bottomLayout.addWidget(self.btn1)bottomLayout.addWidget(self.btn2)centralLayout.addLayout(bottomLayout)self.setLayout(centralLayout)# 串口对象self.COM = QtSerialPort.QSerialPort()self.COM.setPortName(com_port)self.COM.setBaudRate(256000)self.open_status = Falseself.row_cnt = 0self.img = Noneself.timer = QtCore.QTimer()self.timer.timeout.connect(self.sendImage)self.startup()def startup(self):"""Write code here to run once"""self.slider_window = sliderWindow()self.slider_window.slider.valueChanged.connect(self.transformGamma)self.slider_window.slider.valueChanged.connect(self.sendGamma)for com_port in QtSerialPort.QSerialPortInfo.availablePorts():print(com_port.portName())# Try open serial portif not self.COM.open(QtSerialPort.QSerialPort.ReadWrite):self.open_status = Falseprint("Open Serial Port failed.")else:self.open_status = Truedef getfile(self):"""获取图像路径"""fname = QtWidgets.QFileDialog.getOpenFileName(self, 'Open file','C:\\Users\\Administrator\\Pictures', "Image files(*.jpg *.png)")self.clipImage(fname[0])self.updateImage()self.sendImage()def clipImage(self, fname):"""读取并裁剪图片至512x384大小"""if fname:img = cv2.imread(fname, cv2.IMREAD_COLOR)img_roi = img[:384,:512,:]print(img_roi.shape)cv2.imwrite('./img_roi.png', img_roi)def transformGamma(self):"""Gamma变换"""if self.slider_window.slider.value() == 0:invgamma = 0.01else:invgamma = self.slider_window.slider.value() /100.0gamma = 1/invgammaimg_trans = np.array(np.power(self.img/255, gamma)*255, dtype=np.uint8)cv2.imwrite('./img_gamma.png', img_trans)self.img_widget.setPixmap(QtGui.QPixmap('./img_gamma.png'))def updateImage(self):"""显示裁剪后的图像"""self.img = cv2.imread('./img_roi.png')# 判断显示原图像，还是Gamma变换后的图像if self.slider_window.slider.value() == 100:self.img_widget.setPixmap(QtGui.QPixmap('./img_roi.png'))else:self.transformGamma()if self.open_status:self.timer.start(100)def sendImage(self):"""通过串口发送图片"""pattern = ">2H{:d}B".format(512*3)if self.open_status:if self.row_cnt == 384:self.row_cnt = 0self.timer.stop()else:args1 = [0x5500, self.row_cnt]args2 = [rgb for rgb in self.img[self.row_cnt,:].reshape(-1)]send_data = struct.pack(pattern, *(args1+args2))self.row_cnt += 1self.COM.write(send_data)def sendGamma(self):"""通过串口发送Gamma曲线"""if self.slider_window.slider.value() == 0:invgamma = 0.01else:invgamma = self.slider_window.slider.value() /100.0gamma = 1/invgammagamma_f = lambda x: np.uint8(np.floor(np.power(x/255, gamma)*255))pattern = ">1H{:d}B".format(256)if self.open_status:args1 = [0xAA00]args2 = [gamma_f(x) for x in range(256)]send_data = struct.pack(pattern, *(args1+args2))self.COM.write(send_data)def closeEvent(self, event):super().closeEvent(event)self.slider_window.close() # 关闭子窗口# 定时器停止self.timer.stop()if self.open_status:self.COM.close() # 关闭串口def main():app = QtWidgets.QApplication(sys.argv)window = mainWindow('COM21')for win in (window, window.slider_window):win.show()sys.exit(app.exec_())if __name__ == "__main__":main()

连接串口线与 HDMI 线，拖动滑动条改变 Gamma 值，上位机程序会自动发送 Gamma 曲线到开发板，然后发送要显示的图像，就可以看到 FPGA 处理的效果了 ~