什么是图像的log变换？

总的来说，对数变换是一种常用的图像增强技术，可以改善图像的视觉质量、减少噪声以及突出图像中的细节，从而提高图像在视觉感知和分析中的效果和可用性。

图像的对数变换（log transformation）是一种用于增强图像对比度的常见方法之一。它通过对图像的像素值取对数来扩展较低亮度的区域，并压缩较高亮度的区域，从而增强图像的细节和对比度。

对数变换的主要特点是可以扩展图像的暗部细节，使得低亮度区域的像素值被映射到较大的范围内，从而提高了图像的对比度。然而，对数变换对于较亮的区域的影响相对较小，可能会导致亮度信息的丢失。

对数变换常用于图像处理中的动态范围压缩、图像增强、去噪等应用中。

为什么要做图像的log变换？

对图像进行对数变换的主要目的有几个：

1. 增强对比度：对数变换可以扩展图像的灰度动态范围，将较低灰度值的区域拉伸，同时压缩较高灰度值的区域，从而增强图像的对比度。这对于某些图像来说，特别是那些灰度范围较窄的图像，可以使图像更具视觉效果。

2. 压缩动态范围：在一些应用中，图像的动态范围可能过大，包含了大量的细节信息。对数变换可以帮助压缩图像的动态范围，使得图像中的细节更容易被观察和分析。

3. 减少噪声：在图像处理中，对数变换也可以用于减少图像中的噪声。由于对数函数的曲线特性，对低灰度值的像素施加更大的变换，因此可以将低灰度值的噪声信号压缩到较小的范围内，从而减少图像中的噪声影响。

4. 增强图像细节：对数变换有助于突出图像中的细节和纹理，特别是对于暗部细节。这使得图像在观察和分析时更容易捕捉到细微的变化和特征。

log变换的公式

对于灰度图像，图像的对数变换公式如下：

其中，r 表示原始图像的像素值，s 表示变换后的像素值，c 是一个常数，用于调节变换后的亮度范围。其中 c 为常数系数， r 为像素值范围 0~255。

（生成这个交互式曲线图的python代码在文章的后面有提供）

如图所示， 对数曲线在像素值较低的区域斜率较大， 像素值较高的区域斜率比较低， 所以图像经过对数变换之后， 在较暗的区域对比度将得到提升， 因而能增强图像暗部的细节。

python实现图像的log变换

PotatoPie 4.0 实验教程(22) —— FPGA实现摄像头图像对数(log)变换-Anlogic-安路论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

这段代码会读取名为 Lena.jpg 的图片文件，将其转换为灰度图像，并应用 log 变换。然后，它会显示原始图像、灰度图像和经过 log 变换后的图像。

可以看到图像的暗部被明显提升了。

matlab实现实现图像的log变换

PotatoPie 4.0 实验教程(22) —— FPGA实现摄像头图像对数(log)变换-Anlogic-安路论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

这段 MATLAB 代码实现了相同的功能，包括读取图像、将图像转换为灰度图像、应用对数变换以及显示原始图像、灰度图像和对数变换后的图像。

FPGA工程解析

工程数据流图

工程层次图

代码解析

与demo18相比，只是多了一个img_log的模块，也就是下面这一段代码，在从SDRAM读出来之后，经它处理后再输出hdmi_tx模块。

img_log u_img_log

(

.i_clk(clk_pixel),

.i_rst_n(sys_rst_n),

.i_hs(VGA_HS),

.i_vs(VGA_VS),

.i_de(VGA_DE),

.i_r(VGA_RGB[23:16]),

.i_g(VGA_RGB[15:8]),

.i_b(VGA_RGB[7:0]),

.o_hs(log_hs),

.o_vs(log_vs),

.o_de(log_de),

.o_r(log_data[23:16]),

.o_g(log_data[15:8]),

.o_b(log_data[7:0])

);

对于FPGA做log运算最好的办法是我们先用matlab或者python把 c*log(0~255)的值计算并输出到文本文件中，然后填入log_rom.v这个文件中即可。下面的代码提供了直接输出log_rom.v的功能，分别提供了pyton版本和matlab版本，代码中c取30。

pyton版本

PotatoPie 4.0 实验教程(22) —— FPGA实现摄像头图像对数(log)变换-Anlogic-安路论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

matlab版代码

PotatoPie 4.0 实验教程(22) —— FPGA实现摄像头图像对数(log)变换-Anlogic-安路论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

此 MATLAB 代码将执行与Python版代码相同的操作，并生成相同的 COE 文件和图像。

因此FPGA中只需要读出log的值即可，

log_rom u_r

(

.clka (i_clk ),

.addra (i_r ),

.ena (1'b1 ),

.douta (o_r )

);

由于是纯组合逻辑，行场信号都不需要延一拍直接输出即可。

assign o_hs = i_hs;

assign o_vs = i_vs;

assign o_de = i_de;

管脚约束

与PotatoPie 4.0 实验教程(18) —— FPGA实现OV5640摄像头采集以SDRAM作为显存进行HDMI输出显示相同，不作赘述。

时序约束

与PotatoPie 4.0 实验教程(18) —— FPGA实现OV5640摄像头采集以SDRAM作为显存进行HDMI输出显示相同，不作赘述。

实验结果

还是以咱们的小金猪作为主角。