图像预处理算法适合在FPGA上完成，原理简单且需要快速处理，通常有灰度化、中值、均值滤波等，以及颜色空间转换算法。
灰度图像是一种特殊的彩色图像（R=G=B的彩色图像） 只有一种颜色分量，单通道的0-255
方法：一般有分量法、最大值法、平均值法、加权平均法四种方法对彩色图像进行灰度化。
一：最大值法
将彩色图像中的三分量亮度 R ， G ， B 的最大值作为灰度图的灰度值。具体表达式如下。 gray(i, j) = max[𝑅(𝑖,𝑗),𝐺(𝑖,𝑗),𝐵(𝑖,𝑗)]二：平均值法
1.原理
将彩色图像中的三分量亮度求平均得到一个灰度值。如下 : gray(i, j) = { 𝑅(𝑖,𝑗) + 𝐺(𝑖,𝑗) + 𝐵(𝑖,𝑗) } / 3 上式中有除法，考虑到在 FPGA 中实现除法比较的消耗资源（除法就可以使用 移位的方式 实现），这里在实现前可以先做如下的近似处理：除以256可以看作是向右移8位，同样，512，1024，2048等2的n次都可以
2.verilog实现
分析：只有加法乘法以及移位操作
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 [7:0] gray_8b_o, //GRAY输出 output reg gray_valid, //gray输出有效标识 output reg gray_hs, //gray输出行信号 output reg gray_vs //gray输出场信号 );
//求平均法GRAY = (R+B+G)/3=（(R+B+G)*85）>>8 =（(R+B+G)*（64+16+4+1））>>8
=(R+B+G)*64+(R+B+G)*16+(R+B+G)*4+(R+B+G) >>8
= (sum << 6)+(sum << 4)+(sum << 2)+ sum >>8
wire [9:0]sum; reg [15:0]gray_r; assign sum = red_8b_i + green_8b_i + blue_8b_i; always@(posedge clk or posedge reset_p) begin if(reset_p) gray_r <= 16'd0; else if(rgb_valid) gray_r <= (sum << 6)+(sum << 4)+(sum << 2)+ sum; else gray_r <= 16'd0; end
assign gray_8b_o = gray_r[15:8]; //>>8右移8位 always@(posedge clk) begin gray_valid <= rgb_valid; gray_hs <= rgb_hs; gray_vs <= rgb_vs; end避免除法做近似处理计算的 gray 和 直接通过除法求的平均值 是稍存在偏差的。这个是可以接收的误差范围。
三，加权平均 RGB--Ycbcr
1.基本原理
Y'为颜色的亮度(luma)分量、而CB和CR则为蓝色和红色的浓度偏移量成份。常见的3 个基本色彩模型是RGB,CMYK和YUV。YCbCr是YUV经过缩放和偏移的翻版，JPEG、MPEG均采用此格式。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。
RGB888 转 YCbCr 的公式， 效果如下：图来自：FPGA实现图像灰度转换（2）：RGB转YCbCr转Gray - 咸鱼IC - 博客园 (cnblogs.com)
将三个分量以不同的权值进行加权平均：
gray(i, j) = 0.299 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 0.587 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 0.114 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)
在实际应用时，为了能避免低速的浮点运算以及除法运算，先将式子缩放 1024 倍来实现运算算法，如下：
gray(i, j) = [0.299 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 0.587 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 0.114 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ∗ 1024/1024近似取整处理后：
gray(i, j) ≈ [306 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 601 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 117 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)]/1024
除以1024使用向右移10位：
gray(i, j) ≈ [306 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 601 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 117 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ≫ 10也可以压缩到 8 位以内，式子变为如下。具体压缩到多少位可以根据实际需求:
gray(i, j) = [77 ∗ 𝑅(𝑖,𝑗) + 150 ∗ 𝐺(𝑖,𝑗) + 29 ∗ 𝐵(𝑖,𝑗)] ≫ 8
2.代码实现
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。
需要将 R 、 G 、 B 乘以系数之后的数值存储在 ROM 中，然后通过读取 ROM 方式来得到计算之后的数值。使用 Vivado 添加 3 个 ROM IP 核，分别通过 R*75、G*147、B*36（0≤R≤255，0≤G≤255，0≤B≤255）的计算值建立 3 个初始化 coe 文件. 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 如果能将多种实现方法的.v 文件整合到一个模块保存在一个
.v
文件，使用起来就更加的方便。
整合方法1：
宏定义法
通过不同的宏定义条件编译方式进行选择某种实现方式 //`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整合方法2： 使用 generate -if 方法 添加三种方法名称的定义
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以上两种方法直接在例化模块时就可通过 重定义参数 PROC_METHOD 实现不同方法的设置，例化：
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) );
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