基于FPGA的图像RGB转CIE-Lab实现,包含testbench和MATLAB辅助验证程序

1.算法运行效果图预览

将FPGA的结果导入到matlab，并和matlab的仿真结果进行对比：

2.算法运行软件版本

vivado2019.2

matlab2022a

3.算法理论概述

      RGB和CIE-Lab是两种常用的颜色空间，它们在不同的应用领域中各有优势。RGB颜色空间主要用于显示设备，而CIE-Lab颜色空间则更适用于颜色测量和计算。因此，将RGB颜色空间转换为CIE-Lab颜色空间具有重要的应用价值。

       RGB颜色模式是一种常见的颜色表示方法，它是通过红、绿、蓝三种颜色的不同比例来表示不同的颜色。其中，红、绿、蓝三种颜色的值分别范围在0到255之间。

       CIELAB颜色模式是一种更加科学的颜色表示方法，它是基于人眼对颜色的感知来定义的。CIELAB颜色模式包括三个分量：L表示亮度，a表示绿色到红色的色差，b表示蓝色到黄色的色差。RGB到CIELAB转换可以通过以下步骤进行：

将RGB颜色模式转换为X, Y, Z三个分量的CIE XYZ颜色模式。

将CIE XYZ颜色模式转换为CIE Lab*颜色模式。

计算CIELAB颜色模式的L, a, b三个分量。

3.1RGB颜色空间

       RGB颜色空间是一种基于红、绿、蓝三种基本颜色的颜色空间。在该空间中，任意一种颜色都可以由这三种基本颜色的不同强度组合而成。RGB颜色空间通常用于显示设备，如电视、计算机显示器等。

3.2CIE-Lab颜色空间

       CIE-Lab颜色空间是一种基于人类视觉系统的颜色空间，由国际照明委员会（CIE）制定。在该空间中，颜色的表示与人眼的感知更加一致。CIE-Lab颜色空间由三个分量组成：L表示亮度，a表示红绿色差，b*表示黄蓝色差。

3.3RGB转CIE-Lab算法原理

       RGB转CIE-Lab的转换过程可以分为两个步骤：首先将RGB颜色空间转换为XYZ颜色空间，然后将XYZ颜色空间转换为CIE-Lab颜色空间。

RGB转XYZ

RGB转XYZ的转换公式如下：

X = 0.4124R + 0.3576G + 0.1805B

Y = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B

Z = 0.0193R + 0.1192G + 0.9505B

       其中，R、G、B分别表示红、绿、蓝三个通道的颜色值，取值范围为[0,255]。X、Y、Z表示转换后的XYZ颜色空间的三个分量。

XYZ转CIE-Lab

XYZ转CIE-Lab的转换公式如下：

L* = 116f(Y/Yn) - 16

a* = 500[f(X/Xn) - f(Y/Yn)]

b* = 200[f(Y/Yn) - f(Z/Zn)]

       其中，Xn、Yn、Zn表示XYZ颜色空间的参考白点的坐标值。f(t)是一个非线性函数，定义如下：

f(t) = t^(1/3) (当t>0.008856时)

= 7.787t + 16/116 (当t≤0.008856时)

在FPGA设计过程中，一般将上述公式转换为如下表达式进行处理：

fX = XT .* X.^(1/3) + (~XT) .* (7.787 .* X + 4/29);

fY = YT .* Y.^(1/3) + (~YT) .* (7.787 .* Y + 4/29);

fZ = ZT .* Z.^(1/3) + (~ZT) .* (7.787 .* Z + 4/29);

4.部分核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/08/01  
// Design Name: 
// Module Name: RGB2gray
// 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] Rbuff [0:100000];
reg [7:0] Gbuff [0:100000];
reg [7:0] Bbuff [0:100000];
reg [7:0] i_Ir,i_Ig,i_Ib;
wire [7:0] o_X,o_Y,o_Z;
wire [15:0] o_L;
wire signed[15:0] o_A,o_B;
integer fids1,dat1,fids2,dat2,fids3,dat3,jj=0;
 
//D:\D:\FPGA_Proj\FPGAtest\code_proj
initial 
begin
	fids1 = $fopen("D:\\FPGA_Proj\\FPGAtest\\code_proj\\R.bmp","rb");
	dat1  = $fread(Rbuff,fids1);
	$fclose(fids1);
end
 
initial 
begin
	fids2 = $fopen("D:\\FPGA_Proj\\FPGAtest\\code_proj\\G.bmp","rb");
	dat2  = $fread(Gbuff,fids2);
	$fclose(fids2);
end
 
initial 
begin
	fids3 = $fopen("D:\\FPGA_Proj\\FPGAtest\\code_proj\\b.bmp","rb");
	dat3 = $fread(Bbuff,fids3);
	$fclose(fids3);
end
 
 
 
initial 
begin
i_clk=1;
i_rst=1;
#1200;
i_rst=0;
end 
 
always #5  i_clk=~i_clk;
 
always@(posedge i_clk) 
begin
	i_Ir<=Rbuff[jj];
	i_Ig<=Gbuff[jj];
	i_Ib<=Bbuff[jj];
	jj<=jj+1;
end
 
 
 
main_lab main_lab_u(
.i_clk    (i_clk),
.i_rst    (i_rst),
.i_image_R      (i_Ir),
.i_image_G      (i_Ig),
.i_image_B      (i_Ib),
.o_X            (o_X),
.o_Y            (o_Y), 
.o_Z            (o_Z),
.o_L            (o_L),
.o_A            (o_A), 
.o_B            (o_B)
);
 
 
integer fout1;
initial begin
 fout1 = $fopen("X.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout1,"%d\n",o_X);
	else
	$fwrite(fout1,"%d\n",0);
end
 
integer fout2;
initial begin
 fout2 = $fopen("Y.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout2,"%d\n",o_Y);
	else
	$fwrite(fout2,"%d\n",0);
end
 
 
integer fout3;
initial begin
 fout3 = $fopen("Z.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout3,"%d\n",o_Z);
	else
	$fwrite(fout3,"%d\n",0);
end
 
 
integer fout4;
initial begin
 fout4 = $fopen("L.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout4,"%d\n",o_L);
	else
	$fwrite(fout4,"%d\n",0);
end
 
integer fout5;
initial begin
 fout5 = $fopen("A.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout5,"%d\n",o_A);
	else
	$fwrite(fout5,"%d\n",0);
end
 
 
integer fout6;
initial begin
 fout6 = $fopen("B.txt","w");
end
 
always @ (posedge i_clk)
 begin
    if(jj<=66615)
	$fwrite(fout6,"%d\n",o_B);
	else
	$fwrite(fout6,"%d\n",0);
end
 
endmodule