【数字图像处理】素描风格变换（一）—— 基本原理

在绘画风格中，素描风格是一种以黑白灰（或单色）色调为主的绘画风格，注重表现物体的轮廓、结构、明暗关系等细节。在数字图像处理中，素描风格变换是一种图像风格变换的过程，用于呈现素描的视觉效果。本文主要介绍数字图像素描风格变换的基本原理，以及使用 紫光同创 PGL22G 开发板实现数字图像素描风格变换的过程。

目录

1 素描风格变换

2 FPGA布署与实现

2.1 功能与指标定义

2.2 逻辑设计

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1 素描风格变换

????????在绘画风格中，素描风格是一种以黑白灰（或单色）色调为主的绘画风格，注重表现物体的轮廓、结构、明暗关系等细节。

图像素描风格效果有以下 4 个特征：

（1）整体画面为黑白灰色；

（2）主要表现物体的边界，且边界线条颜色较重；

（3）相同或相近色彩区域白色；

（4）不同区域明暗不同，略有光源效果。

????????在数字图像处理中，素描风格变换是一种图像风格变换的过程，用于呈现素描的视觉效果。对于彩色图像，素描风格变换的大致思路如下：

（1）RGB 转灰度图。以 RGB 格式读取图像，然后进行 RGB 转灰度图处理；

（2）边缘检测。在灰度图的基础上，选择合适的边缘检测模板，得到梯度信息；

（3）灰度变换。在三维空间中设置一个虚拟点光源（位于图像上方，俯仰角 ，方位角?），计算梯度在光源方向上的投影，梯度趋于光源方向的像素点，灰度值越大。

? ? ? ? 使用 Matlab 进行验证，代码如下：

clc, clear

% RGB转灰度图
im = imread('./loopy.png');
im_gray = im2gray(im);

% 边缘检测
depth = 10;
h = fspecial('log');
edge_x = double(imfilter(im_gray, h))*depth/100;
edge_y = double(imfilter(im_gray, h'))*depth/100;

A = sqrt(edge_x.^2 + edge_y.^2 + 1);
uni_x = edge_x./A;
uni_y = edge_y./A;
uni_z = 1./A;

% 模拟光源
theta_el = pi/2.2;
theta_az = pi/2;
dx = cos(theta_el)*cos(theta_az);
dy = cos(theta_el)*sin(theta_az);
dz = sin(theta_el);

% 模拟光源
theta_el = pi/2.2;
theta_az = pi/2;
dx = cos(theta_el)*cos(theta_az);
dy = cos(theta_el)*sin(theta_az);
dz = sin(theta_el);

subplot(121)
imshow(im2uint8(im))
title('原图像')
subplot(122)
imshow(im2uint8(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 平台实现素描风格变换功能，FPGA 需要实现的功能与指标如下：

（1）与电脑的串口通信，用于接收上位机下发的图像数据，波特率为 256000 Bd/s；

（2）素描风格变换：包括?RGB 转灰度图、边缘检测、灰度变换处理过程，实现数字图像的素描风格变换；

（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 逻辑设计

? ? ? ? 基于紫光同创 PGL22G 平台，进行逻辑设计，以下是工程主要的模块与功能说明。

模块名称		功能说明
top_uart	uart_rx_slice	串口接收驱动模块
	uart_rx_parse	串口数据解析模块，从上位机接收 8bit 原始图像
top_vidin	conv_rgb2gray	RGB 转灰度图模块
	conv_gradient	边缘检测模块，对 3x3 的区域进行 Preweitt 边缘检测
	conv_sketch	素描风格灰度变换模块
	vidin_pipeline	pipeline 单元模块，缓存两行图像数据，并将数据提交到 ddr3 数据调度模块
	vidin_pipeline_s	pipeline 简化单元模块，缓存两行图像数据
merge_out	dvi_timing_gen	HDMI 视频时序产生模块
	dvi_ddr_rd	根据 HDMI 控制信号，提交读指令到 ddr3 数据调度模块
	dvi_encoder	HDMI 输出编码（8b10b 编码）与输出驱动模块

? ? ? ? 以下是素描风格变换的流程图。

素描风格变换流程图

（1）conv_rgb2gray 模块：根据 RGB-Gray 灰度变换公式，使用 FPGA 乘法器资源，得到灰度数据，实现 RGB 转灰度图。

（2）conv_gradient 模块：对图像 3x3 区域进行 Prewitt 边缘检测，得到水平方向与垂直方向的梯度信息，实现灰度图像的梯度计算。

（3）conv_sketch 模块：使用 Dual-port RAM 存储灰度变换函数，根据水平与垂直方向的梯度，得到转换后的灰度值，实现素描风格的灰度变换。

以下是工程资源报告。