基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法FPGA实现,包括tb测试文件和MATLAB辅助验证

1.算法运行效果图预览

将gamma=2.2和gamma=1/2.2的数据分别导入到matlab进行对比：

2.算法运行软件版本

matlab2022a

3.算法理论概述

基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法是一种用于改善图像显示效果的技术，它通过对图像像素的灰度值进行非线性变换，使得图像在显示设备上的表现更接近人眼的视觉特性。

gamma校正算法的核心思想是根据人眼的视觉特性对图像像素的灰度值进行非线性变换。人眼对图像的亮度感知并不是线性的，而是对暗部和亮部的敏感度不同，对暗部的敏感度更高。因此，gamma校正算法通过对暗部像素进行较大的灰度值调整，对亮部像素进行较小的灰度值调整，使得图像在显示设备上的表现更接近人眼的视觉特性。

gamma校正算法的数学公式如下：

O = 255/255^(γ)*Image^(γ)

其中，I表示输入像素的灰度值，O表示输出像素的灰度值，γ表示gamma值，通常取值为2.2。该公式的含义是，将输入像素的灰度值I进行γ次方运算，得到输出像素的灰度值O。

在具体实现中，为了加快运算速度，通常会使用查找表（LUT）来存储预计算的结果。假设输入像素的灰度值范围为0~255，则可以生成一个大小为256的查找表，表中每个元素的值为对应灰度值的γ次方运算结果。在实现时，只需要输入像素的灰度值作为查找表的索引，即可得到对应的输出像素的灰度值。

基于LUT查找表方法的图像gamma校正算法的FPGA实现可以采用以下步骤：

定义输入和输出图像的数据格式，例如8位灰度图像，可以使用单个8位寄存器表示每个像素的灰度值。

定义一个大小为256的查找表，表中每个元素的值为对应灰度值的1/γ次方运算结果。可以使用FPGA中的ROM或者CAM模块来实现查找表。

读取输入图像的每个像素的灰度值，并将其作为查找表的索引，得到对应的输出像素的灰度值。可以使用FPGA中的单端口RAM或者双端口RAM来实现像素值的存储和读取。

将输出像素的灰度值写入到输出图像中，完成一次gamma校正。

需要注意的是，由于FPGA的并行性，可以将整个图像的像素并行处理，实现高速的gamma校正。此外，也可以使用流水线结构、多级查找表等技术进一步提高计算速度和精度。

4.部分核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2022/07/28 01:51:45
// Design Name: 
// Module Name: test_image
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
  
  
module test_image;
  
reg i_clk;
reg i_rst;
reg [7:0] Buffer [0:100000];
reg [7:0] II;
wire [7:0] o_gamma1_jiaoz;
wire [7:0] o_gamma2_jiaoz;
integer fids,idx=0,dat;
  
  
//D:\FPGA_Proj\FPGAtest\code_proj\project_1\project_1.srcs\sources_1
initial 
begin
    fids = $fopen("D:\\FPGA_Proj\\FPGAtest\\code_proj\\test0.bmp","rb");
    dat  = $fread(Buffer,fids);
    $fclose(fids);
end
  
  
  
initial 
begin
i_clk=1;
i_rst=1;
#1000;
i_rst=0;
end
  
always #5 i_clk=~i_clk;
  
always@(posedge i_clk) 
begin
    II<=Buffer[idx];
    idx<=idx+1;
end
  
  
tops tops_u(
.i_clk            (i_clk),
.i_rst            (i_rst),
.i_I              (II),
.o_gamma1_jiaoz   (o_gamma1_jiaoz),
.o_gamma2_jiaoz   (o_gamma2_jiaoz)
);
integer fout1;
integer fout2;
initial begin
 fout1 = $fopen("SAVEDATA1.txt","w");
 fout2 = $fopen("SAVEDATA2.txt","w");
end
  
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(idx<=66617)
    $fwrite(fout1,"%d\n",o_gamma1_jiaoz);
    else
    $fwrite(fout1,"%d\n",0);
     
    if(idx<=66617)
    $fwrite(fout2,"%d\n",o_gamma2_jiaoz);
    else
    $fwrite(fout2,"%d\n",0);
end
  
endmodule