基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法FPGA实现与开发板硬件测试

目录

1.前言

2.算法硬件测试效果图预览

3.算法运行软件版本

4.部分核心程序

5.算法测试参数

6.硬件测试说明

7.算法理论概述

8.算法完整程序工程

---

1.前言

本课题为之前博客中写的文章的硬件调试：

基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法FPGA实现,包括tb测试文件和MATLAB辅助验证

在仿真版本的基础上，我们增加了图像存储模块，HDMI接口模块，图像时序处理模块，rgb转dvi模块等。

2.算法硬件测试效果图预览

用显示器显示原灰度图片：

gamma=2.2

gamma=1/2.2

3.算法运行软件版本

vivado2022.2

Matlab2022a/matlab2024b

4.部分核心程序

（完整版代码包含中文注释和操作步骤视频）

 
color_bar hdmi_color_bar(
	.clk(video_clk),
	.rst(1'b0),
	.key(key),
	.hs(video_hs),
	.vs(video_vs),
	.de(video_de),
	.rgb_r(video_r),
	.rgb_g(video_g),
	.rgb_b(video_b)
);
 
video_clock video_clock_m0
(
     // Clock in ports
    .clk_in1(sys_clk),
      // Clock out ports
    .clk_out1(video_clk),
    .clk_out2(video_clk_5x),
      // Status and control signals
    .reset(1'b0),
    .locked()
 );
 
rgb2dvi_0 rgb2dvi_m0 (
	// DVI 1.0 TMDS video interface
	.TMDS_Clk_p(TMDS_clk_p),
	.TMDS_Clk_n(TMDS_clk_n),
	.TMDS_Data_p(TMDS_data_p),
	.TMDS_Data_n(TMDS_data_n),
	.oen(hdmi_oen),
	//Auxiliary signals 
	.aRst_n(1'b1), //-asynchronous reset; must be reset when RefClk is not within spec
	
	// Video in
	.vid_pData({video_r,video_g,video_b}),
	.vid_pVDE(video_de),
	.vid_pHSync(video_hs),
	.vid_pVSync(video_vs),
	.PixelClk(video_clk),
	.SerialClk(video_clk_5x)// 5x PixelClk
); 
  
endmodule
0X2_005m

5.算法测试参数

parameter H_ACTIVE = 16'd1280;           //horizontal active time (pixels)
parameter H_FP = 16'd110;                //horizontal front porch (pixels)
parameter H_SYNC = 16'd40;               //horizontal sync time(pixels)
parameter H_BP = 16'd220;                //horizontal back porch (pixels)
parameter V_ACTIVE = 16'd720;            //vertical active Time (lines)
parameter V_FP  = 16'd5;                 //vertical front porch (lines)
parameter V_SYNC  = 16'd5;               //vertical sync time (lines)
parameter V_BP  = 16'd20;                //vertical back porch (lines)
parameter HS_POL = 1'b1;                 //horizontal sync polarity, 1 : POSITIVE,0 : NEGATIVE;
parameter VS_POL = 1'b1;                 //vertical sync polarity, 1 : POSITIVE,0 : NEGATIVE;

6.硬件测试说明

具体的硬件操作步骤，可以参考作品中提供的视频步骤

如果不同开发板，系统的移植可以参考如下文章

不同FPGA开发板系统移植步骤-CSDN博客

7.算法理论概述

基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法是一种用于改善图像显示效果的技术，它通过对图像像素的灰度值进行非线性变换，使得图像在显示设备上的表现更接近人眼的视觉特性。

gamma校正算法的核心思想是根据人眼的视觉特性对图像像素的灰度值进行非线性变换。人眼对图像的亮度感知并不是线性的，而是对暗部和亮部的敏感度不同，对暗部的敏感度更高。因此，gamma校正算法通过对暗部像素进行较大的灰度值调整，对亮部像素进行较小的灰度值调整，使得图像在显示设备上的表现更接近人眼的视觉特性。

gamma校正算法的数学公式如下：

O = 255/255^(γ)*Image(γ)

其中，I表示输入像素的灰度值，O表示输出像素的灰度值，γ表示gamma值，通常取值为2.2。该公式的含义是，将输入像素的灰度值I进行γ次方运算，得到输出像素的灰度值O。

在具体实现中，为了加快运算速度，通常会使用查找表（LUT）来存储预计算的结果。假设输入像素的灰度值范围为0~255，则可以生成一个大小为256的查找表，表中每个元素的值为对应灰度值的γ次方运算结果。在实现时，只需要输入像素的灰度值作为查找表的索引，即可得到对应的输出像素的灰度值。

基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法的FPGA实现可以采用以下步骤： 定义输入和输出图像的数据格式，例如8位灰度图像，可以使用单个8位寄存器表示每个像素的灰度值。 定义一个大小为256的查找表，表中每个元素的值为对应灰度值的1/γ次方运算结果。可以使用FPGA中的ROM或者CAM模块来实现查找表。 读取输入图像的每个像素的灰度值，并将其作为查找表的索引，得到对应的输出像素的灰度值。可以使用FPGA中的单端口RAM或者双端口RAM来实现像素值的存储和读取。 将输出像素的灰度值写入到输出图像中，完成一次gamma校正。

需要注意的是，由于FPGA的并行性，可以将整个图像的像素并行处理，实现高速的gamma校正。此外，也可以使用流水线结构、多级查找表等技术进一步提高计算速度和精度。