Bootstrap

6.RGB转GRAY

1.方法

RGB转灰度有很多种方式
  1.将RGB中任意分量拿出来当做灰度值。
  2.取RGB三通道的均值来当灰度值。
  3.将RGB转YUV(YCbCr)然后取Y分量作为灰度值。
  其余的几种实现方式较为简单，这里不做介绍。重点实现RGB转YCbCr。

1.1 YUV(YCbCr)格式

  Y表示亮度，U和V表示色度，用于描述影像的饱和度和色调。RGB转YUV的转换一般是色彩空间的转换。YUV主要用在模拟系统中，而YCbCr是通过YUV信号的发展，并通过校正
的主要应用在数字视频中的一种编码方法。YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式，而YCrCb适用于计算机用的显示器。 一般意义上 YCbCr 即为 YUV 信号，没有严格的划分。 CbCr 分别为蓝色色度分量、红色色度分量。
RGB注重人色彩的感知，YUV则注重亮度的敏感程度。
使用YUV描述图像的好处在于：
  （1）亮度（Y）与色度（U、V）是独立的；
  （2）人眼能够识别数千种不同的色彩，但只能识别20多种灰阶值，采用YUV标准可以降低数字彩色图像所需的储存容量。

1.1.1 YUV4:4:4

  YUV三个通道采样率相同，因此每个分量相互独立。通常一个分量占8bit，一个像素占3byte。

1.1.2 YUV4:2:2

  YUV三个通道采样率不同，UV分量只有Y的一半，两个UV共占用一个Y。

1.2 RGB转YCbCr公式

在这里插入图片描述
  但是由于Verilog HDL无法进行浮点运算，因此使用扩大256倍，再向右移8Bit的方式来转换公式，（0.083 = 00010101）
在这里插入图片描述

2.算法验证平台搭建

2.1 图片转txt文本

  首先将图片转化为txt文本格式方便其他模块读取。

clear ;
clc ;
close;
RGB = imread('../img/1920x1080.bmp');
imshow(RGB);
[row,col,chn] = size(RGB);
fid = fopen('../data//pre.txt','w+');
for i = 1:row
    for j = 1:col
        for k = 1:chn
            fprintf(fid,'%02x',RGB(i,j,k));
        end
        fprintf(fid,'\n');
    end
end

fclose(fid);

2.2 txt文本数据仿真回传

2.2.1 文本读取

  这里首先读取MATLAB生成的pre.txt文本，读取txt文本的模块为img_gen3，表示读取的RGB888的数据。

`timescale 1ns / 1ps

module img_gen3
#(
 	parameter 	ACTIVE_IW 	= 	1920 	,
 	parameter 	ACTIVE_IH 	= 	1080 	,
 	parameter 	TOTAL_IW 	= 	2200 	,
 	parameter 	TOTAL_IH 	= 	1100 	,
 	parameter 	H_START 	= 	100 	,
 	parameter 	V_START 	= 	4 		 		
)(
	input 	wire 				clk 	,
	input 	wire 				rst_n 	,
	output 	reg 				vs 		,
	output 	reg  	 	 		de 		,
	output 	reg 	[23:0] 		data 	
);

reg 	[23:0] 	raw_array 	[ACTIVE_IW*ACTIVE_IH-1:0];

integer 	i;

initial 	begin
	for(i=0;i<ACTIVE_IW*ACTIVE_IH;i=i+1)
		raw_array[i] = 0;
end

initial begin
	$readmemh("H:/picture/Z7/lesson6/data/pre.txt",raw_array);
end

reg 	[15:0] 	hcnt 	;
reg 	[15:0] 	vcnt 	;

reg 			h_de 	;
reg 			v_de  	;

reg  			index_de 	;
reg 	[31:0] 	index 	 	;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		hcnt <= 'd0;
	else if(hcnt == TOTAL_IW - 1)
		hcnt <= 'd0;
	else 
		hcnt <= hcnt + 1'b1;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		vcnt <= 'd0;
	else if(hcnt == TOTAL_IW - 1 && vcnt == TOTAL_IH - 1)
		vcnt <= 'd0;
	else if(hcnt == TOTAL_IW - 1)
		vcnt <= vcnt + 1'b1;
	else 
		vcnt <= vcnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		vs <= 'd0;
	else if(vcnt>=2)
		vs <= 1'b1;
	else 
		vs <= 1'b0;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		h_de <= 'd0;
	else if(hcnt >= H_START && hcnt < H_START + ACTIVE_IW)
		h_de <= 1'b1;
	else 
		h_de <= 1'b0;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		v_de <= 'd0;
	else if(vcnt >= V_START && vcnt < V_START + ACTIVE_IH)
		v_de <= 1'b1;
	else 
		v_de <= 1'b0;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		index_de <= 'd0;
	else if(index == ACTIVE_IW * ACTIVE_IH-1)
		index_de <= 1'b0;
	else if(h_de == 1'b1 && v_de == 1'b1)
		index_de <= 1'b1;
	else 
		index_de <= 1'b0;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		index_de <= 'd0;
	else if(h_de == 1'b1 && v_de == 1'b1)
		index_de <= 1'b1;
	else 
		index_de <= 1'b0;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		index <= 'd0;
	else if(index == ACTIVE_IW * ACTIVE_IH-1)
		index <= 1'b0;
	else if(index_de == 1'b1)
		index <= index + 1;
	else 
		index <= index;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		de <= 'd0;
	else 
		de <= index_de;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(index_de == 1'b1)
		data <= raw_array[index];
	else 
		data <= 0;
endmodule

2.2.1 读取写入

  读取的数据在顶层写入为post.txt。

`timescale 1ns / 1ps
module tb_top(
    );

reg 	clk 	;
reg 	rst_n 	;

integer 	outfile;

initial 	begin
	clk = 0;
	rst_n = 0;
	#20
	rst_n = 1;

	outfile = $fopen("H:/picture/Z7/lesson6/data/post.txt","w");
end
always #5 clk = ~clk;

wire 	vs ;
wire 	de ;
wire 	[23:0] 	data;

img_gen3  #(
 	.ACTIVE_IW 	(1920 	),
 	.ACTIVE_IH 	(1080 	),
 	.TOTAL_IW 	(2200 	),
 	.TOTAL_IH 	(1100 	),
 	.H_START 	(100 	),
 	.V_START 	(4 		) 		
)u_img_gen3(
	.clk 	 	(clk 	 	),
	.rst_n 	 	(rst_n 	 	),
	.vs 		(vs 		),
	.de 		(de 		),
	.data 	 	(data 	 	)
);

reg 	vs_r 	;

always @(posedge clk)
	if(rst_n == 0)
		vs_r 	<= 1'b0;
	else 
		vs_r 	<= vs;

always @(posedge clk)
	if(~vs&&vs_r)
		$stop;
	else if(de == 1)
		$fdisplay(outfile,"%h\t%h\t%h",data[23:16],data[15:8],data[7:0]);
endmodule

2.2.3 MATLAB数据读取

  这里对比pre.txt和post.txt是否相等的方式有很多中，可以直接用文本对比工具，也可以用MATLAB做对比。这里只做一个txt转bmp。

clear ;
clc ;
close;
RGB = imread('../img/1920x1080.bmp');
imshow(RGB);
[row,col,chn] = size(RGB);
fid = fopen('../data//pre.txt','w+');
for i = 1:row
    for j = 1:col
        for k = 1:chn
            fprintf(fid,'%02x',RGB(i,j,k));
        end
        fprintf(fid,'\n');
    end
end
fclose(fid);

搭建后对比pre.txt与post.txt的数据一致。可以开始验证算法了。

3 rgb2ycbcr算法实现与仿真

3.1 rgb2ycbcr算法实现

  本算法实现包括三个时钟周期，第一个时钟周期算乘法，第二个时钟周期算加减，第三个时钟周期算触发（截位）。

module	rgb2ycbcr(
	input	wire				clk				,	//系统时钟
	input	wire				rst_n			,	//复位信号
	input	wire				pre_hsync		,	//输入的场同步
	input	wire				pre_vsync		,	//输入行同步
	input	wire				pre_de			,	//数据有效信号
	input	wire	[ 7:0]		pre_r 			,	//输入像素数据
	input 	wire 	[ 7:0] 		pre_g 			,
	input 	wire 	[ 7:0] 		pre_b 			,

	output	reg 				post_hsync 		,	//输出行同步
	output	reg 				post_vsync 		,	//输出场同步
	output	reg 				post_de 		,	//输出数据有效信号
	output	reg 	[7:0]		post_y 			,	//输出y(亮度)分量
	output	reg 	[7:0]		post_cb 		,	//输出蓝色色度分量
	output	reg 	[7:0]		post_cr				//输出红色色度分量
	);
	reg 	[15:0] 	pre_r0 	;
	reg 	[15:0] 	pre_r1 	;
	reg 	[15:0] 	pre_r2 	;

	reg 	[15:0] 	pre_g0 	;
	reg 	[15:0] 	pre_g1 	;
	reg 	[15:0] 	pre_g2 	;

	reg 	[15:0] 	pre_b0 	;
	reg 	[15:0] 	pre_b1 	;
	reg 	[15:0] 	pre_b2 	;

	reg 	[15:0] 	post_y0 ;
	reg 	[15:0] 	post_cb0;	
	reg 	[15:0] 	post_cr0;

	reg 			pre_hsync_d0;
 	reg 			pre_vsync_d0;
 	reg 			pre_de_d0 	;

	reg 			pre_hsync_d1;
 	reg 			pre_vsync_d1;
 	reg 			pre_de_d1 	;

/*********************************************************
RGB888 to YCbCr
Y = 0.299R +0.587G + 0.114B
Cb = 0.568(B-Y) + 128 = -0.172R-0.339G + 0.511B + 128
CR = 0.713(R-Y) + 128 = 0.511R-0.428G -0.083B + 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
*********************************************************/
//计算乘法项

always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		pre_r0 	<= 	'd0;
		pre_r1 	<= 	'd0;
		pre_r2 	<= 	'd0;
	end
	else begin
		pre_r0 	<= 	pre_r *77;
		pre_r1 	<= 	pre_r *43;
		pre_r2 	<= 	pre_r *128;		
	end
end

always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		pre_g0 	<= 	'd0;
		pre_g1 	<= 	'd0;
		pre_g2 	<= 	'd0;
	end
	else begin
		pre_g0 	<= 	pre_g *150;
		pre_g1 	<= 	pre_g *85 ;
		pre_g2 	<= 	pre_g *107;		
	end
end

always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		pre_b0 	<= 	'd0;
		pre_b1 	<= 	'd0;
		pre_b2 	<= 	'd0;
	end
	else begin
		pre_b0 	<= 	pre_b *29;
		pre_b1 	<= 	pre_b *128 ;
		pre_b2 	<= 	pre_b *21;		
	end
end

//计算加减法
always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		post_y0 	<= 	0;
		post_cb0 	<= 	0;
		post_cr0 	<= 	0;
	end
	else begin
		post_y0 	<= 	 		pre_r0 + pre_g0 + pre_b0;
		post_cb0 	<= 	32768 - pre_r1 - pre_g1 + pre_b1;
		post_cr0 	<= 	32768 + pre_r2 - pre_g2 - pre_b2;
	end
end

//移位赋值
always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		post_y 	 	<= 	0;
		post_cb 	<= 	0;
		post_cr 	<= 	0;
	end
	else begin
		post_y 		<= 	post_y0 /256;
		post_cb 	<= 	post_cb0/256;
		post_cr 	<= 	post_cr0/256;
	end
end

//本次计算一共用了三个时钟周期  所以其余的信号需要打三拍出来
always @(posedge clk)begin
	if(rst_n == 0)begin
		pre_hsync_d0 	<= 	'd0;
		pre_vsync_d0 	<= 	'd0;
		pre_de_d0 	 	<= 	'd0;
		pre_hsync_d1 	<= 	'd0;
		pre_vsync_d1 	<= 	'd0;
		pre_de_d1 	 	<= 	'd0;
		post_hsync 		<= 	'd0;
		post_vsync 		<= 	'd0;
		post_de 	 	<= 	'd0;		
	end
	else begin
		pre_hsync_d0 	<= 	pre_hsync 		;
		pre_vsync_d0 	<= 	pre_vsync 		;
		pre_de_d0 	 	<= 	pre_de 	 		;
		pre_hsync_d1 	<= 	pre_hsync_d0 	;
		pre_vsync_d1 	<= 	pre_vsync_d0 	;
		pre_de_d1 	 	<= 	pre_de_d0 	 	;
		post_hsync 		<= 	pre_hsync_d1 	;
		post_vsync 		<= 	pre_vsync_d1 	;
		post_de 	 	<= 	pre_de_d1 	 	;		
	end
end

endmodule

3.2 算法仿真与验证

3.2.1 算法仿真模块

`timescale 1ns / 1ps

module tb_rgb2ycbcr();

reg 	 		clk 			;
reg 	 		rst_n 			;



reg 			pre_hsync		;
wire 			pre_vsync		;
wire 			pre_de			;
wire 	[7:0] 	pre_r 			;
wire 	[7:0] 	pre_g 			;
wire 	[7:0] 	pre_b 	 		;
wire 			post_hsync 	 	;
wire 			post_vsync 	 	;
wire 			post_de 		;
wire 	[7:0] 	post_y 		 	;
wire 	[7:0] 	post_cb 		;
wire 	[7:0] 	post_cr			;	

integer 	outfile;

always #10 clk = ~clk;
initial 	begin
	clk = 0;
	rst_n = 0;
	pre_hsync = 1;
	#200
	rst_n = 1;
	outfile = $fopen("H:/picture/Z7/lesson6/data/post.txt","w");
end

img_gen3#(
 	.ACTIVE_IW 	(1920 	),
 	.ACTIVE_IH 	(1080 	),
 	.TOTAL_IW 	(2200 	),
 	.TOTAL_IH 	(1100 	),
 	.H_START 	(100 	),
 	.V_START 	(4 		) 		
)u_img_gen3(
	.clk 	 	(clk 	 			),
	.rst_n 	 	(rst_n 	 			),
	.vs 		(pre_vsync 			),
	.de 		(pre_de 			),
	.data 	 	({pre_r,pre_g,pre_b})
);

rgb2ycbcr u1_rgb2ycbcr(
	.clk			(clk			),	//系统时钟
	.rst_n			(rst_n			),	//复位信号
	.pre_hsync		(pre_hsync		),	//输入的场同步
	.pre_vsync		(pre_vsync		),	//输入行同步
	.pre_de			(pre_de			),	//数据有效信号
	.pre_r 			(pre_r 			),	//输入像素数据
	.pre_g 			(pre_g 			),
	.pre_b 			(pre_b 			),

	.post_hsync 	(post_hsync 	),	//输出行同步
	.post_vsync 	(post_vsync 	),	//输出场同步
	.post_de 		(post_de 		),	//输出数据有效信号
	.post_y 		(post_y 		),	//输出y(亮度)分量
	.post_cb 		(post_cb 		),	//输出蓝色色度分量
	.post_cr		(post_cr		)	//输出红色色度分量
	);

reg 	vs_r 	;

always @(posedge clk)
	if(rst_n == 0)
		vs_r 	<= 1'b0;
	else 
		vs_r 	<= post_vsync;

always @(posedge clk)
	if(~post_vsync&&vs_r)
		$stop;
	else if(post_de == 1)
		$fdisplay(outfile,"%h",post_y);
endmodule

3.2.2 算法的MATLAB验证

clc;
clear all;
RGB = imread('../img/1920x1080.bmp');
[row,col,chn] = size(RGB);
RGB = double(RGB);
for i = 1:row
    for j = 1:col
        for k = 1:chn
            Y(i,j)  = (77*RGB(i,j,1)    + 150*RGB(i,j,2)    + 29*RGB(i,j,3)            )/256;
            Cb(i,j) = (-43*RGB(i,j,1)   - 85*RGB(i,j,2)     + 128*RGB(i,j,3)   +32768  )/256;
            Cr(i,j) = (128*RGB(i,j,1)   - 107*RGB(i,j,2)    - 21*RGB(i,j,3)    +32768  )/256;
        end
    end
end
matlab_Y = uint8(floor(Y));

a = textread('../data/post.txt','%s');
IMdec = hex2dec(a);

col = 1920;
row = 1080;

IM = reshape(IMdec,col,row);
fpga_Y = uint8(IM)';

subplot(1,2,1)
imshow(matlab_Y),title('MATLAB算法图像');
subplot(1,2,2)
imshow(fpga_Y),,title('FPGA算法图像');;

sub = matlab_Y - fpga_Y;

min_sub = min(min(sub));
max_sub = max(max(sub));

  最终MATLAB读取MolelSim的仿真数据以及MATLAN本身实现的rgb2ycbcr算法模块做对比。两者数据完全一样。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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