CN111402163A - 一种gamma校正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种gamma校正系统及方法。该系统包括：参数计算模块，用于计算gamma校正曲线的N组分段参数，所述gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；校正模块，所述校正模块基于FPGA平台实现，用于接收并存储所述N组分段参数，还用于接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。本发明适用于在FPGA平台进行gamma校正，同时也适用于处理像素深度大于12bit的图片。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，更具体地，涉及一种gamma校正系统及方法。
背景技术
gamma校正技术在工业相机显示、机器视觉、自动光学检测领域应用非常广泛。在自动光学检测中，可以通过光学成像对LCD、OLED、钢材、薄膜等材料进行缺陷检测。光学成像中，由于相机成像的角度、LCD屏幕的亮度或OLED本身成像的特点等原因，导致无法很好地表现亮度，因而需要对采集的图像进行gamma校正。
现有的gamma校正技术，主要有两种方法。一是指数幂直接计算法，适合于在CPU或者GPU上使用，不适合在FPGA上使用。二是查表法(LUT)，查表法可以在GPU、CPU或FPGA上使用，但是FPGA平台只适用于处理像素深度小于12bit的图像。当图像像素深度大于12bit的时，使用查表法时会占用很多的存储空间，一般的FPGA平台不能承受这种存储资源消耗。然而，目前工业化数据处理一般是基于嵌入式的，即基于以FPGA为计算核心的嵌入式系统。因此，现有的两种gamma校正方法在在工业化中具有局限性，特别不适用自动光学检测等需要处理高像素图像的场景。而如果采用CPU或者GPU来进行gamma校正，即FPGA+CPU或者FPGA+GPU架构，那么需要多次来回输入输出数据到DDR，则会导致数据处理效率低下。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种gamma校正系统及方法，适用于在FPGA平台进行gamma校正，同时也适用于处理像素深度大于12bit的图片。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种gamma校正系统，包括：
参数计算模块，用于计算gamma校正曲线的N组分段参数，所述gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；
校正模块，所述校正模块基于FPGA平台实现，用于接收并利用查找表存储所述N组分段参数，还用于接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
优选地，所述校正模块包括：
块存储模块，用于接收并利用查找表存储所述N组分段参数，并提供地址索引的方式使得可以读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数；
数据处理模块，用于采用管道模式接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
优选地，所述计算gamma校正曲线的N组分段参数具体是：
接收gamma值及参数N，将gamma值对应的原始gamma曲线沿横轴方向分割成N个分段区间，以每个分段区间的原始gamma曲线的起始点和结束点形成的线性函数的参数作为对应分段区间的分段参数。
优选地，所述分割为均匀分割。
优选地，所述gamma校正曲线用y＝kn(x-xn)+bn表示，其中，1≤n≤N，x为输入数据变量，y为gamma校正后的数据，kn表示每段线性函数的斜率，xn表示每段线性函数的起始点横坐标值，bn表示每段线性函数的起始点纵坐标值，所述N组分段参数为kn、xn和bn。
优选地，所述参数计算模块基于arm实现。
优选地，所述数据处理模块采用axi stream接口来接收待校正的输入数据以及输出经过gamma校正后的数据。
按照本发明的第二方面，提供了一种gamma校正方法，包括步骤：
S1，计算gamma校正曲线的N组分段参数，所述gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；
S2，接收并利用查找表存储所述N组分段参数，接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据，且所述步骤S2基于FPGA平台实现。
总体而言，本发明的gamma校正系统中，将GAMMA原始曲线用多个分段区间的线性函数代替，参数计算模块计算出每个分段区间的分段参数，基于FPGA平台实现的校正模块存储每个分段区间对应的分段参数，利用输入数据快速查找所属分段区间的分段参数，采用对应的线性函数进行gamma校正，即利用FPGA将GAMMA曲线分段法和查找表结合起来，既可以解决幂指数方式float浮点类型带来的资源消耗过多问题，也解决了传统查表法只适用于图片像素深度小于12bit的问题，能够充分利用FPGA平台处理速度块的优点，同时对存储资源要求不高，适用于处理像素深度大于12bit的图片，特别适用自动光学检测等需要处理高像素图像的场景。并且校正模块的参数配置接口采用通用的block ram接口，数据流接口采用axi stream接口，因此gamma校正系统的扩展性好，具有通用性。
附图说明
图1是本发明实施例的一种gamma校正系统的示意图；
图2是本发明实施例的一种gamma校正系统的参数计算模块原理示意图；
图3是本发明实施例的一种gamma校正系统的应用示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
根据本发明的一个具体实施方式，本发明的一种gamma校正系统，包括：参数计算模块和校正模块，其中校正模块是基于FPGA平台实现，即在FPGA平台上进行gamma校正。
参数计算模块用于计算gamma校正曲线的N组分段参数，该gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应。换而言之，将gamma值对应的原始gamma曲线分段，用多个分段区间的线性函数来代替，计算每个分段区间的线性函数的参数，即N组分段参数。参数计算模块将计算得到的N组分段参数发送给FGPA平台上的校正模块。
校正模块用于接收并利用查找表存储N组分段参数，以及接收待校正的输入数据，待校正的输入数据必然属于N个分段区间的一个区间。校正模块还用于从N组分段参数中读取输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
这样，通过将GAMMA原始曲线分段，存储每个分段区间相应的分段参数，可以快速输入数据所属分段区对应的分段参数，将输入数据代入该分段参数对应的线性函数进行gamma校正，而不需要像传统查表法一样查询所有分段区间，可以解决幂指数方式float浮点类型带来的资源消耗过多问题，也解决了传统查表法只适用于图片像素深度小于12bit的问题，能够充分利用FPGA平台处理速度块的优点，同时对存储资源要求不高，适用于处理像素深度大于12bit的图片，特别适用自动光学检测等需要处理高像素图像的场景。
本发明的另一具体实施例的gamma校正系统，如图1所示，包括：参数计算模块和校正模块。
参数计算模块用于计算gamma校正曲线的N组分段参数。由于计算量较大，优选地，参数计算模块基于arm实现。
校正模块基于FPGA平台实现，校正模块包括块存储模块(Block ram)和数据处理模块(PipeLine模块)。
块存储模块用于接收并存储N组分段参数，并提供地址索引的方式使得可以读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数。
数据处理模块，用于采用管道(PipeLine)模式接收待校正的输入数据，从N组分段参数中读取输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。以处理图像为例，每次从上级模块接收一个像素，以像素为搜索索引，从块存储模块中搜索出对应的分段参数，利用分段参数对像素进行运算，然后将gamma校正后的数据按照axi stream流接口的方式流入下级模块。
优选地，参数计算模块可通过bram存储接口，将分段参数写入块存储模块中存储。优选地，数据处理模块采用axi stream接口来接收待校正的输入数据以及输出经过gamma校正后的数据。这样，gamma校正系统的扩展性好，具有通用性。
下面具体说明参数计算模块计算分段参数的原理。参数计算模块接收gamma值及参数N，将gamma值对应的原始gamma曲线沿横轴方向分割成N个分段区间，以每个分段区间的原始gamma曲线的起始点和结束点形成的线性函数的参数作为对应分段区间的分段参数。参数N可以根据实际应用场景预先配置。优选地，分割为均匀分割。
图2所示是一个gamma值对应的原始gamma曲线，x坐标代表是输入数据变量，例如输入像素灰度值，y坐标代表的校正后的数据，例如输出像素灰度值，其中x的范围，与输入像素深度有关，x的范围为0～2P-1，其中P表示的是输入的像素灰度位宽，其中y的范围，与输出像素深度有关，y的范围为0～2M-1，其中M表示的是输出的像素灰度位宽。
以输入像素位宽为16bit，输出像素位宽为16bit为例，输入像素灰度值范围是0～65535，将x均匀分为1024个区间，则每个分段区间包含64个灰阶的像素，称为1024段分段折线法，每一段的曲线，用线性分段函数代替，最终gamma曲线由1024段线性线段代替。
分段后的gamma校正曲线用y＝kn(x-xn)+bn表示，1≤n≤1024，x为输入数据变量，y为gamma校正后的数据，kn表示每段线性函数的斜率，xn表示每段线性函数的起始点横坐标值，bn表示每段线性函数的起始点纵坐标值，根据每个分段区间的起始点和结束点来计算出1024组分段参数kn、xn和bn。
校正模块将1024组分段参数kn、xn和bn存储到LUT中，然后每次输入像素，则根据输入像素从LUT中搜索其所属分段区间对应的kn、xn和bn，然后计算出对应的y数据，这样就实现了gamma校正。
本发明实施例的一种gamma校正方法，包括步骤：
S1，计算gamma校正曲线的N组分段参数，gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；
S2，接收并利用查找表存储N组分段参数，接收待校正的输入数据，从N组分段参数中读取输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据，且步骤S2基于FPGA平台实现。
上述步骤S2中，采用块存储方式存储N组分段参数，并提供地址索引的方式使得可以读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数；采用管道模式接收待校正的输入数据，从N组分段参数中读取输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
gamma校正方法和上述gamma校正系统的原理相同，此处不再赘述。
在实际应用的一个具体实施例中，gamma校正系统运行过程如图3所示。
(1)首先，软件层面配置是否做gamma校正使能开关。
(2)当使能开关后，上层软件将gamma值配置传递给参数计算模块，参数计算模块接收到参数后，将gamma参数存储下来，然后依据图像要求输入的位宽和输出位宽计算出像素灰度值范围，然后依据输入输出的范围，然后依据软件配置的gamma参数，将输入像素值和输出像素值一一对应；
(3)通过评估精度和计算效率，本设计分为1024段，计算出每一段的的第一个点和最后一个点，然后将最后一个点和第一个点连接起来组成取像，然后通过两个点的坐标，计算出之间公式的斜率以及截距，然后将斜率，截距以及段首点作为参数存入FPGA的blockram中；
(4)当触发取像的时候，将相机拍摄的图像按照像素的方式，按照axi stream接口，输入到block ram的输入接口，并作为block ram的地址索引，从block ram中搜索对应的分段参数kn、xn和bn；
(5)用搜索到的分段参数kn、xn和bn和输入的像素值代入线性函数，就可以计算出gamma校正后的像素值了。
(6)对每一个输入数据执行步骤(4)(5)，即可得到就是gamma校正后的图像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种gamma校正系统，其特征在于，包括：
参数计算模块，用于计算gamma校正曲线的N组分段参数，所述gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；
校正模块，所述校正模块基于FPGA平台实现，用于接收并利用查找表存储所述N组分段参数，还用于接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
2.如权利要求1所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述校正模块包括：
块存储模块，用于接收并利用查找表存储所述N组分段参数，并提供地址索引的方式使得可以读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数；
数据处理模块，用于采用管道模式接收待校正的所述输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
3.如权利要求1或2所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述计算gamma校正曲线的N组分段参数具体是：
接收gamma值及参数N，将gamma值对应的原始gamma曲线沿横轴方向分割成N个分段区间，以每个分段区间的原始gamma曲线的起始点和结束点形成的线性函数的参数作为对应分段区间的分段参数。
4.如权利要求3所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述分割为均匀分割。
5.如权利要求3所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述gamma校正曲线用y＝kn(x-xn)+bn表示，其中，1≤n≤N，x为输入数据变量，y为gamma校正后的数据，kn表示每段线性函数的斜率，xn表示每段线性函数的起始点横坐标值，bn表示每段线性函数的起始点纵坐标值，所述N组分段参数为kn、xn和bn。
6.如权利要求1或2所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述参数计算模块基于arm实现。
7.如权利要求1或2所述的一种gamma校正系统，其特征在于，所述数据处理模块采用axi stream接口来接收待校正的输入数据以及输出经过gamma校正后的数据。
8.一种gamma校正方法，其特征在于，包括步骤：
S1，计算gamma校正曲线的N组分段参数，所述gamma校正曲线由N个分段区间的线性函数组成，N为大于1的整数，每组分段参数与每个分段区间的线性函数一一对应；
S2，接收并利用查找表存储所述N组分段参数，接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据，且所述步骤S2基于FPGA平台实现。
9.如权利要求8所述的一种gamma校正方法，其特征在于，所述步骤S2中，
采用块存储方式存储所述N组分段参数，并提供地址索引的方式使得可以读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数；
采用管道模式接收待校正的输入数据，从所述N组分段参数中读取所述输入数据所属分段区间对应的分段参数，采用读取的分段参数对应的线性函数进行gamma校正，输出经过gamma校正后的数据。
10.如权利要求8或9所述的一种gamma校正方法，其特征在于，所述计算gamma校正曲线的N组分段参数具体是：
接收gamma值及参数N，将gamma值对应的原始gamma曲线沿横轴方向分割成N个分段区间，根据每个分段区间的原始gamma曲线的起始点和结束点来计算所述N组分段参数。
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