ISP中gamma矫正模块的FPGA设计和仿真

pangpang最近耗费很久的时间写了一个ISP中的gamma矫正模块，写下本文记录一下。

目录

 1、gamma矫正介绍

 2、本文gamma矫正设计要求

3、设计过程

4、仿真验证

5、总结

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 1、gamma矫正介绍

1. 在电视和图形监视器中，显像管发生的电子束及其生成的图像亮度并不是随显像管的输入电压线性变化，电子流与输入电压相比是按照指数曲线变化的，输入电压的指数要大于电子束的指数。这说明暗区的信号要比实际情况更暗，而亮区要比实际情况更高。所以，要重现摄像机拍摄的画面，电视和监视器必须进行伽玛补偿。这种伽玛校正也可以由摄像机完成。我们对整个电视系统进行伽玛补偿的目的，是使摄像机根据入射光亮度与显像管的亮度对称而产生的输出信号，所以应对图像信号引入一个相反的非线性失真，即与电视系统的伽玛曲线对应的摄像机伽玛曲线，它的值应为1/γ，我们称为摄像机的伽玛值。电视系统的伽玛值约为2.2，所以电视系统的摄像机非线性补偿伽玛值为0.45。彩色显像管的伽玛值为2.8，它的图像信号校正指数应为1/2.8=0.35，但由于显像管内外杂散光的影响，重现图像的对比度和饱和度均有所降低，所以彩色摄像机的伽玛值仍多采用0.45。在实际应用中，我们可以根据实际情况在一定范围内调整伽玛值，以获得最佳效果。

以传统CRT（Cathode Ray Tube）屏幕的特性而言，该曲线通常是一个乘幂函数，Y=(X+e)γ，其中，Y为亮度、X为输出电压、e为补偿系数、乘幂值（γ）为伽玛值，改变乘幂 值（γ）的大小，就能改变CRT的伽玛曲线。典型的Gamma值是0.45，它会使CRT的影像亮度呈现线性。使用CRT的电视机等显示器屏幕，由于对于 输入信号的发光灰度，不是线性函数，而是指数函数，因此必需校正。

所谓伽玛校正就是对图像的伽玛曲线进行编辑，以对图像进行非线性色调编辑的方法，检出图像信号中的深色部分和浅色部分，并使两者比例增大，从而提高图像对比度效果。计算机绘图领域惯以此屏幕输出电压与对应亮度的转换关系曲线，称为伽玛曲线（Gamma Curve）。 

这应该说是一个历史遗留问题，以前的CRT显示器是使用电子显像管，通过控制电流大小来控制显示屏幕上的亮度。然而亮度和电流之间的关系并非是线性的，也就是说电流强度变为2倍，显示的亮度并非是两倍，而是由公式1决定：

其中 gamma为CRT显示器的伽马值。
然而对于现实中的大部分摄像机或成像设备来讲，输入能量和记录在图片文件中的颜色亮度之间的关系却是线性的。这就导致显示器显示的图像与摄像设备捕捉的实际图像不一致，为了校正这个差异，摄像机在保存图像时会自动对数据进行一个伽马校正，如公式2

gamma依旧为显示器的伽马值。这样，当显示器显示图像时，公式2的输出作为公式1的输入，最后抵消了显示器的 gammagamma值造成的误差。

 

gamma的实现如下图所示 

 红线