FPGA图像处理11_常用算法_亮度及对比度调节

亮度及对比度调节

亮度及对比度需要根据数值配合一齐调节，以达到更新的视觉效果。

如果是 RGB 彩色图像，亮度与对比度调节需要在所有颜色通道上进行相同的调节。

设当前像素点位宽为 8，则像素值范围 0~255。

设当前像素点值为 x，调节输出像素点值为 y。

设亮度参数b范围 -1~1，则有亮度调节公式:
$$\begin{gathered} yb=x+255\times b \\ y=\{\begin{array}{ll}0& yb\le 0\\ 255& yb\ge 255\\ yb& 0<yb<255\end{array} \end{gathered}$$
设对比度参数c范围 -1~1，对比度门限 th，则有对比度调节公式：
$$\begin{gathered} yc=\{\begin{array}{ll}x\ge th?255:0& c=1\\ x+(x-th)\times (\frac{1}{1-c}-1)& 0\le c<1\\ x+(x-th)\times c& c<0\end{array} \\ y=\{\begin{array}{ll}0& yc\le 0\\ 255& yc\ge 255\\ yb& 0<yc<255\end{array} \end{gathered}$$
前述公式仅用于亮度或者对比度单独调节的情况，实际情况下需要将亮度对比度一同调节，并且在对比度数值大于 0 的情况下先调节亮度，在对比度数值小于 0 的情况下先调整对比度

在 FPGA 实现中，将亮度参数 b 定义为 16 位有符号整数，用补码表示（整字节数定义，方便外部配置参数值），数值范围 -255 至 255，单独计算亮度的方法：
$$y=x+b$$
计算结果再经过 0 至 255 范围的饱和控制，得到亮度调节的结果。

将对比度参数 c 定义为 16 位有符号整数，用补码表示，范围 -255 至 255，单独计算对比度的方法：
$$y=\{\begin{array}{ll}x\ge 128?255:0& c=255\\ x+(x-128)\times \frac{c}{255-c}& 0\le c<255\\ x+(x-128)\times \frac{c}{255}& c<0\end{array}$$
计算结果再经过 0 至 255 范围的饱和控制，得到对比度调节的结果。

由于亮度及对比度调节需要根据对比度参数选择不同的先后顺序，因此 FPGA 计算时分为两条计算流水线，完成计算后再根据对比度参数选择对应的计算流水线的输出。

对比度参数 c 值大于等于 0 的计算流水线：

sysgen 中的实现如下：

注意上图中橙色背景的除法计算，Divide 模块的配置如下：

注意在 Divide 输入数据需要用 Convert 模块先由有符号整数补码转为浮点数，并且需要将 Divide 输出由 Convert 模块将浮点数转为有符号整数补码。

最后输出之前用于饱和控制的 Convert 模块的配置如下，注意 Overflow 配置为 Saturate：

对比度参数 c 值小于 0 的计算流水线：

sysgen 中的实现如下：

注意上图中用截去低 8 位的方法近似实现除以 255 的计算，以节约计算资源。

最终由对比度参数值通过 Mux 模块选择计算流的输出：

仿真结果。

试验图片来源于：https://unsplash.com/

输入原始图像：

输出图像，亮度参数 50，对比度参数 100：

输出图像，亮度参数 -10，对比度参数 -50：