图像预处理算法————灰度化处理

gray(i, j) = 0.299 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 0.587 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 0.114 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)

gray(i, j) = [0.299 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 0.587 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 0.114 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ∗ 1024/1024

gray(i, j) ≈ [306 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 601 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 117 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)]/1024

gray(i, j) ≈ [306 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 601 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 117 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ≫ 10

gray(i, j) = [77 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 150 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 29 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ≫ 8

1）公式计算法实现：

首先将RGB565转RGB888形式：

 rgb2gray #( .PROC_METHOD ( "FORMULA" )//"AVERAGE" :求平均法 //or "FORMULA" :直接公式法 //or "LUT" :查找表法 )rgb2gray ( .clk (loc_clk50m ),//input .reset_p (g_rst_p ),//input .rgb_valid (image_data_valid ),//input .rgb_hs (image_data_hs ),//input .rgb_vs (image_data_vs ),//input .red_8b_i ({image_data[15:11],3'b000}),//input R[7:0] .green_8b_i ({image_data[10:5],2'b00} ),//input G[7:0] .blue_8b_i ({image_data[4:0],3'b000} ),//input B[7:0] .gray_8b_o (image_gray_data ),//output [7:0] .gray_valid (image_gray_data_valid ),//output reg .gray_hs ( ),//output reg .gray_vs ( ) //output reg ); 

 wire [15:0]red_x77; wire [15:0]green_x150; wire [15:0]blue_x29; reg [15:0]sum; //乘法转换成移位相加方式 assign red_x77 = (red_8b_i << 6) + (red_8b_i << 3) + (red_8b_i << 2) + red_8b_i; assign green_x150 = (green_8b_i<< 7) + (green_8b_i<< 4) + (green_8b_i<< 2) + (green_8b_i<<1); assign blue_x29 = (blue_8b_i << 4) + (blue_8b_i << 3) + (blue_8b_i << 2) + blue_8b_i; always@(posedge clk or posedge reset_p) begin if(reset_p) sum <= 16'd0; else if(rgb_valid) sum <= red_x77 + green_x150 + blue_x29; else sum <= 16'd0; end //提取Y亮度为灰度输出 assign gray_8b_o = sum[15:8]; //打拍计算 always@(posedge clk) begin gray_valid <= rgb_valid; gray_hs <= rgb_hs; gray_vs <= rgb_vs; end

进行打拍计算，在图像处理时，我们是有数据的同步信号的，有的是数据使能信号，有的还有行同步信号和帧同步信号。经过图像处理后的数据延迟了拍数，这些同步信号也要相应的打拍，否则最终的图像显示会出问题。

将Y,Cb,Cr分量都获取的代码实现办法：

module rgb2gray ( input clk, //时钟 input reset_p, //复位 input rgb_valid, //rgb输入有效标识 input rgb_hs, //rgb输入行信号 input rgb_vs, //rgb输入场信号 input [7:0] red_8b_i, //R输入 input [7:0] green_8b_i, //G输入 input [7:0] blue_8b_i, //B输入 output reg [7:0] gray_8b_o, //GRAY输出 output gray_valid, //gray输出有效标识 output gray_hs, //gray输出行信号 output gray_vs //gray输出场信号 );

//典型灰度转换公式Gray = R*0.299+G*0.587+B*0.114=(R*77 + G*150 + B*29) >>8 // Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B // Cb = 0.586*(B-Y) + 128 = -0.172*R - 0.339*G + 0.511*B + 128 // Cr = 0.713*(R-Y) + 128 = 0.511*R - 0.428*G - 0.083*B + 128 // ---> // Y = ( 77*R + 150*G + 29*B) >> 8 // Cb = (-43*R - 85*G + 128*B) >> 8 + 128 // Cr = (128*R - 107*G - 21*B) >> 8 + 128 // ---> // Y = ( 77*R + 150*G + 29*B) >> 8 // Cb = (-43*R - 85*G + 128*B + 32768) >> 8 // Cr = (128*R - 107*G - 21*B + 32768) >> 8

 reg [15:0] R1; reg [15:0] R2; reg [15:0] R3; reg [15:0] G1; reg [15:0] G2; reg [15:0] G3; reg [15:0] B1; reg [15:0] B2; reg [15:0] B3; reg [15:0] Y1; reg [15:0] Cb1; reg [15:0] Cr1; reg [7:0] Y2,Cb2,Cr2; reg [3:0] rgb_valid_r; //rgb输入有效标识 reg [3:0] rgb_hs_r; //rgb输入行信号 reg [3:0] rgb_vs_r; //rgb输入场信号

提取三种分量的RGB值，并且进行相加得到

 always@(posedge clk or negedge reset_p) begin if (reset_p) begin {R1,G1,B1} <= {16'd0,16'd0,16'd0}; {R2,G2,B2} <= {16'd0,16'd0,16'd0}; {R3,G3,B3} <= {16'd0,16'd0,16'd0}; end else begin {R1,G1,B1} <= { 
     {red_8b_i * 16'd77},{green_8b_i * 16'd150},{blue_8b_i * 16'd29}}; {R2,G2,B2} <= { 
     {red_8b_i * 16'd43},{green_8b_i * 16'd85},{blue_8b_i * 16'd128}}; {R3,G3,B3} <= { 
     {red_8b_i * 16'd128},{green_8b_i * 16'd107},{blue_8b_i * 16'd21}}; end end always@(posedge clk or negedge reset_p) begin if (reset_p) begin Y1 <= 16'd0; Cb1 <= 16'd0; Cr1 <= 16'd0; end else begin Y1 <= R1+G1+B1; Cb1 <= B2 - R2 - G2 + 16'd32768;//128扩大256倍 Cr1 <= R3 - G3 - B3 + 16'd32768; //128扩大256倍 end end //右移8位得到 always@(posedge clk or negedge reset_p) begin if (reset_p) begin Y2 <= 8'd0; Cb2 <= 8'd0; Cr2 <= 8'd0; end else begin Y2 <= Y1[15:8]; Cb2 <= Cb1[15:8]; Cr2 <= Cr1[15:8]; end end 

最终输出Y分量为灰度：

assign gray_8b_o = Y2; 

在HDMI显示屏上进行显示灰度处理实现的效果：

也可以只提取77 < Cb < 127，133 < Cr < 173输出值为8’hFF，也就是说将该范围内的图像标记出来。即肤色提取：

 always@(posedge clk or negedge reset_p) begin if (reset_p) gray_8b_o <= 8'h0; else if ( (Cb2 > 77) && (Cb2 < 127) && (Cr2 > 133) && (Cr2 < 173)) gray_8b_o <= 8'hFF; else gray_8b_o <= 8'h0; end

在HDMI显示屏上进行显示肤色提取实现的效果：

 可以发现，它的椒盐噪声太多，需要进行滤波处理来减少椒盐噪声。

2）查找表法：

采用查找表方法实现，主要的优势是直接通过 访问 ROM 内的数据，相对使用移位相加实现乘法使用的 LUT 资源会少点，但占用的存储器会更多。

 rom_red_x77 rom_red_x77( .clka (clk ), // input wire clka .ena (rgb_valid ), // input wire ena .addra (red_8b_i ), // input wire [7 : 0] addra .douta (red_x77 ) // output wire [14 : 0] douta ); rom_green_x150 rom_green_x150( .clka (clk ), // input wire clka .ena (rgb_valid ), // input wire ena .addra (green_8b_i ), // input wire [7 : 0] addra .douta (green_x150 ) // output wire [15 : 0] douta ); rom_blue_x29 rom_blue_x29( .clka (clk ), // input wire clka .ena (rgb_valid ), // input wire ena .addra (blue_8b_i ), // input wire [7 : 0] addra .douta (blue_x29 ) // output wire [13 : 0] douta );

 always@(posedge clk or posedge reset_p) begin if(reset_p) sum <= 16'd0; else if(rgb_valid_dly1) sum <= red_x77 + green_x150 + blue_x29; else sum <= 16'd0; end assign gray_8b_o = sum[15:8];

 always@(posedge clk) begin rgb_valid_dly1 <= rgb_valid; rgb_hs_dly1 <= rgb_hs; rgb_vs_dly1 <= rgb_vs; end

 always@(posedge clk) begin gray_valid <= rgb_valid_dly1; gray_hs <= rgb_hs_dly1; gray_vs <= rgb_vs_dly1; end

//`define AVERAGE //求平均法 //`define FORMULA //直接公式法 `define LUT //查找表法

module rgb2gray ( clk, rst_n, rgb_valid, red_8b_i, green_8b_i, blue_8b_i, gray_8b_o, gray_valid ); `ifdef AVERAGE //求平均法 GRAY=(R+B+G)/3=（(R+B+G)*85）>>8 ...//方法 1 `endif `ifdef FORMULA //灰度转换公式 Gray = R*0.299+G*0.587+B*0.114 ...//方法 2 `endif `ifdef LUT//查找表方式 ...//方法 3 `endif endmodule

module rgb2gray #( parameter PROC_METHOD = "AVERAGE" //"AVERAGE" :求平均法 //or "FORMULA" :直接公式法 //or "LUT" :查找表法 )

( clk, rst_n, rgb_valid, red_8b_i, green_8b_i, blue_8b_i, gray_8b_o, gray_valid );

generate if (PROC_METHOD == "AVERAGE") begin: PROC_AVERAGE //--------------------------------------------- //求平均法 GRAY = (R+B+G)/3=（(R+B+G)*85）>>8 //方法 1 //--------------------------------------------- end else if (PROC_METHOD == "FORMULA") begin: PROC_FORMULA //--------------------------------------------- //典型灰度转换公式 Gray = R*0.299+G*0.587+B*0.114=(R*77 + G*150 + B*29) >>8 //方法 2 //--------------------------------------------- end else if(PROC_METHOD == "LUT") begin: PROC_LUT //--------------------------------------------- //查找表方式，可以省去公式法中乘法运算 Gray =(R*77 + G*150 + B*29) >>8，将 3 个分量 乘以系数后的数值存储在 ROM 中 //方法 3 //--------------------------------------------- end endgenerate endmodule

 rgb2gray #( .PROC_METHOD("FORMULA") //"AVERAGE" :求平均法 //or "FORMULA" :直接公式法 //or "LUT" :查找表法 )rgb2gray_average

 ( .clk (clk ), . reset_p (reset_p ), .rgb_valid (rgb_valid ), .red_8b_i (red_8b_i ), .green_8b_i(green_8b_i), .blue_8b_i (blue_8b_i ), .gray_8b_o (gray_8b_o ), .gray_valid(gray_valid) );