【数字图像处理】RGB 转灰度图

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【数字图像处理】RGB 转灰度图

常见的数字图像格式有 RGB, RGBA, YCbCr 等，RGB/RGBA 格式适合存储，而 YCbCr 格式适合图像处理。在数字图像处理中，通常需要将 RGB 格式的图像变换为灰度图，再进行后续的处理，例如边缘检测、锐化等。本文主要介绍数字图像 RGB 转灰度图的基本原理，并记录在紫光同创 PGL22G FPGA 平台的布署与实现过程。

目录

1. RGB 转灰度图原理

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. RGB 转灰度图原理

        在研究生物视觉的过程中，人们发现人眼视网膜中包含三种视锥细胞，这三种视锥细胞的光谱吸收峰值不同，对应光的波长分别处于 450 nm, 530nm 和 570 nm 附近，对应光的颜色分别为蓝、绿、红。

        考虑人眼对不同颜色光的感知程度不同，对红、绿、蓝 3 个颜色分量分别设定一个权重，颜色分量值与对应权重相乘再累加，就得到灰度值。

        目前关于颜色权重的选取，仍存在一些争议，但总的偏差不大。常用的 RGB 转灰度图的公式如下：

使用 Matlab 进行验证。

clc, clear% 读取图像
im = imread('./loopy.png');
im = im2double(im);% RGB转灰度图
im_r = im(:,:,1);
im_g = im(:,:,2);
im_b = im(:,:,3);
im_new = 0.299*im_r +0.587*im_g +0.114*im_b;% 查看图像
subplot(121)
imshow(im)
title('原图像')
subplot(122)
imshow(im_new)
title('处理后图像')

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 RGB 转灰度图功能，FPGA 需要实现的功能与指标如下：

（1）与电脑的串口通信，用于接收用户下发的图像，波特率为 256000 Bd/s；

（2）RGB 转灰度图处理，使用 FPGA 内部的乘法器，实现颜色分量的加权；

（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

        主要的设计模块功能划分如下：

top_uart 模块

· uart_rx_slice 模块，UART 串口接收驱动模块

· uart_rx_parse 模块，UART 串口数据解析模块，从上位机接收 RGB 8bit 图像

top_vidin 模块

· vidin_pipeline 模块，缓存两行图像（使用乒乓操作），并将数据提交到 ddr3 用户数据调度模块

· mult_9x9_uaub IP，乘法器 IP，输入为 2 个 9bit 无符号数，输出为 18bit 无符号数

merge_out 模块

· dvi_timing_gen 模块，根据定义的分辨率，产生 HDMI 视频控制时序

· dvi_ddr_rd 模块，根据 HDMI 控制信号，提交读指令到 ddr3 用户数据调度模块

· dvi_encoder 模块，HDMI 输出编码（8b10b 编码）与输出驱动

· dvi_pll IP，PLL IP，将参考时钟倍频，产生需要的像素时钟信号

其中，乘法器的输入为 2 个 9bit 无符号数，RGB 颜色分量为 8bit，颜色分量系数需要扩大 512 倍再取整，由

 

得 RGB 乘法器相乘系数分别取：153，301 和 58。

FPGA 工程资源使用率如下：

2.3 上板调试

使用 PyQt5 和 OpenCV 库，编写上位机程序，实现以下功能：

（1）使用 OpenCV 库加载图像，并截取左上角 512 × 384 的区域；

（2）通过串口发送给 PGL22G 开发板。

# -*- Coding: UTF-8 -*-
import cv2
import sys
import struct
from PyQt5 import Qt, QtGui, QtCore, QtWidgets, QtSerialPortclass mainWindow(Qt.QWidget):def __init__(self, com_port, parent=None):super(mainWindow, self).__init__(parent)#self.setGeometry(720, 300, 512, 384)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"""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 updateImage(self):"""显示裁剪后的图像"""self.img_widget.setPixmap(QtGui.QPixmap('./temp/img_roi.png'))self.img = cv2.imread('./img_roi.png')self.timer.start(100)def sendImage(self):"""通过串口发送图片"""pattern = ">4H{:d}B".format(512*3)if self.open_status:if self.row_cnt == 384:self.row_cnt = 0self.timer.stop()else:args1 = [self.row_cnt, self.img.shape[0], 0, 0]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 main():app = QtWidgets.QApplication(sys.argv)window = mainWindow('COM21')window.show()sys.exit(app.exec_())if __name__ == "__main__":main()

 

        在电脑端发送图像，就可以看到 FPGA 处理结果了 ~