FPGA纯verilog实现图像视频旋转 串口指令控制旋转角度 提供工程源码和技术支持

1、前言

图像旋转是一种常用的图像处理技术，其基本原理就是指图像以某一点为中心旋转一定的角度，形成一幅新的图像的过程。当然这个点通常就是图像的中心。图像的旋转是图像几何变换的一种，旋转前后的图像的像素的 RGB 都是没有改变的，改变的只是每一个像素的所在位置，这个就是旋转的本质。
本设计采用OV5640摄像头作为输入，分辨率为640x480，也可配置为其他分辨率，输出HDMI，分辨率为1024x768@60Hz。图像缓存至DDR做旋转变换，旋转角度由串口命令控制，实用性很强，高度贴近真实项目，希望对你有用。
本文详细描述了设计方案，工程代码编译通过后上板调试验证，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像传输领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、理论基础

图像旋转是指图像以某一点为中心旋转一定的角度，形成一幅新的图像的过程。当然这个点通常就是图像的中心。既然是按照中心旋转，自然会有这样一个属性：旋转前和旋转后的点离中心的位置不变。
根据这个属性，我们可以得到旋转后的点的坐标与原坐标的对应关系。由于原图像的坐标是以左上角为原点的，所以我们先把坐标转换为以图像中心为原点。假设原图像的宽为 w，高为 h，（x0，y0）为原坐标内的一点，转换坐标后的点为（x1，y1）。那么不难得到：
x1 = x0 - w/2；y1 = -y0 + h/2；
在新的坐标系下，假设点（x0，y0）距离原点的距离为 r，点与原点之间的连线与 x 轴的夹角为 b，旋转的角度为 a，旋转后的点为（x1，y1），如下图所示。

那么有以下结论：
x0=rcosb；y0=rsinb
x1 = rcos(b-a) = rcosbcosa+rsinbsina=x0cosa+y0sina；
y1=rsin(b-a)=rsinbcosa-rcosbsina=-x0sina+y0cosa；
得到了转换后的坐标，我们只需要把这些坐标再转换为原坐标系即可。这里还有一点要注意，旋转后的图像的长和宽会发生变化，因此要计算新图像的长和宽。

3、设计思路和框架

设计思路和框架如下：

图像输入和采集

本设计采用OV5640摄像头作为输入，分辨率为640x480，也可配置为其他分辨率，OV5640需要i2c配置才能使用，代码里包含了纯verilog的i2c配置，图像采集输出RGB565格式图像数据，图像采集顶层接口如下：

module uiSensorRGB565(input         cmos_clk_i  ,//cmos senseor clock.input         rst_n_i     ,//system reset.active low.input         cmos_pclk_i ,//input pixel clock.input         cmos_href_i ,//input pixel hs signal.input         cmos_vsync_i,//input pixel vs signal.input [7:0]   cmos_data_i ,//data.output        cmos_xclk_o ,//output clock to cmos sensor.output [15:0] rgb_o       ,output        de_o        ,output        vs_o        ,output        hs_o        );

图像旋转处理

本小节内容包括串口解析、旋转参数切换和图像旋转前处理等模块内容。
首先，本设计暂时只支持90°、180°、270°和360°旋转，不支持任意角度旋转；
旋转角度由串口命令控制，控制命令如下：
串口发送0xaa 0xbb 0x00 0x00 0x00 0x01 0x01 0xcc 0xdd 旋转90°；
串口发送0xaa 0xbb 0x00 0x00 0x00 0x02 0x02 0xcc 0xdd 旋转180°；
串口发送0xaa 0xbb 0x00 0x00 0x00 0x04 0x04 0xcc 0xdd 旋转270°；
串口发送0xaa 0xbb 0x00 0x00 0x00 0x08 0x08 0xcc 0xdd 旋转360°；
视频演示使用的串口调试助手配置和指令如下：

关于串口指令和解析，请参考我之前写的文章点击查看：串口解析
参数切换模块：根据切换信号来切换输出到各个模块的参数。
图像旋转前处理模块：根据切换信号对 ram 中的数据进行调度，以方便 ddr 控制器模块的使用。

图像缓存

调用MIG实现图像到DDR3的乒乓缓存，这里用到的是纯净的MIG，并未用到我常用的FDMA+AXI MIG方案，直接调用MIG更为简单；
想了解FDMA+AXI MIG图像缓存方案的可以参考我之前写的文章点击查看：FDMA+AXI MIG

图像输出

图像输出采用HDMI发送，分辨率为1024x768@60Hz，HDMI由silicon9134芯片编码，silicon9134需要i2c配置才能使用，代码里包含了纯verilog的i2c配置，想了解silicon9134芯片配置的可以参考我之前写的文章点击查看：silicon9134

4、vivado工程详解

开发板：Xilinx Artix7-35T开发板；
开发环境：vivado2019.1；
输入：OV5640摄像头，分辨率640x480；
输出：HDMI，辨率为1024x768@60Hz，silicon9134编码；
工程代码架构如下：

FPGA资源消耗和功耗预估如下：

5、上板调试验证

演示视频如下：

FPGA图像视频旋转

6、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：