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FPGA + 图像处理(三)生成3x3像素矩阵

前言

生成NxN的像素矩阵是对图像进行各类滤波操作的基本前提,本文介绍一种通过bram生成3x3矩阵的方法。

程序

生成bram核

因为本文介绍的是基于bram生成的3x3像素矩阵,所以要先生成两个bram核,用于缓存前两行图像数据

在 IP catalog中选择Block Memory Generator

配置如下

注意这里选择simple dual port RAM,即伪双端口,一个端口只能写,一个端口只能读

端口A用于写入数据,注意数据的位宽要与图像位深相同,彩色通常为24位,灰度图为8位,数据深度为一行像素的长度,operating选择写优先,enable port type选择始终使能

端口B用于读取数据,这里要注意下面的primitives output register要勾选上,勾选该选项后,数据的输出会延迟一个时钟周期,用于对齐数据。

HDMI时序生成模块

这里也用到了HDMI时序生成模块,具体作用和前面文章讲的一样,一是可以做到通过同步信号简化对图像数据的管理,二是可以让测试的数据处理模块更方便的适配用HDMI显示的图像处理工程。

具体代码如下

module hdmi_tim_gen(input           	clk			,input           	rst_n	    ,input   	[23:0]  data_in		,output          	hdmi_hs		,     //行同步信号output          	hdmi_vs		,     //场同步信号output          	hdmi_de		,     //数据使能output  	[23:0]  hdmi_data	,     //RGB888颜色数据output		reg		data_req 	);//1280*720 分辨率时序参数
parameter  H_SYNC   =  11'd40;   //行同步
parameter  H_BACK   =  11'd220;  //行显示后沿
parameter  H_DISP   =  11'd1280; //行有效数据
parameter  H_FRONT  =  11'd110;  //行显示前沿
parameter  H_TOTAL  =  11'd1650; //行扫描周期parameter  V_SYNC   =  11'd5;    //场同步
parameter  V_BACK   =  11'd20;   //场显示后沿
parameter  V_DISP   =  11'd720;  //场有效数据
parameter  V_FRONT  =  11'd5;    //场显示前沿
parameter  V_TOTAL  =  11'd750;  //场扫描周期//reg define
reg  [11:0] 	cnt_h;
reg  [11:0] 	cnt_v;reg [10:0] pixel_xpos;
reg [10:0] pixel_ypos;assign hdmi_de  = data_req;
assign hdmi_hs  = ( cnt_h < H_SYNC ) ? 1'b0 : 1'b1;  //行同步信号赋值
assign hdmi_vs  = ( cnt_v < V_SYNC ) ? 1'b0 : 1'b1;  //场同步信号赋值//RGB888数据输出
assign hdmi_data = hdmi_de ? data_in : 24'd0;//请求像素点颜色数据输入
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)data_req <= 1'b0;else if(((cnt_h >= H_SYNC + H_BACK - 2'd2) && (cnt_h < H_SYNC + H_BACK + H_DISP - 2'd2))&& ((cnt_v >= V_SYNC + V_BACK) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK+V_DISP)))data_req <= 1'b1;elsedata_req <= 1'b0;
end//像素点x坐标
always@ (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)pixel_xpos <= 11'd0;else if(data_req)pixel_xpos <= cnt_h + 2'd2 - H_SYNC - H_BACK ;else pixel_xpos <= 11'd0;
end//像素点y坐标	
always@ (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)pixel_ypos <= 11'd0;else if((cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK)) && (cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_DISP)))pixel_ypos <= cnt_v + 1'b1 - (V_SYNC + V_BACK) ;else pixel_ypos <= 11'd0;
end//行计数器对像素时钟计数
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)cnt_h <= 11'd0;else beginif(cnt_h < H_TOTAL - 1'b1)cnt_h <= cnt_h + 1'b1;else cnt_h <= 11'd0;end
end//场计数器对行计数
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)cnt_v <= 11'd0;else if(cnt_h == H_TOTAL - 1'b1) beginif(cnt_v < V_TOTAL - 1'b1)cnt_v <= cnt_v + 1'b1;else cnt_v <= 11'd0;end
endendmodule

生成3x3像素矩阵的顶层模块

module kernel_3x3_gen
(input					clk,  		input					rst_n,				//准备要进行处理的图像数据input					vs_i,input					de_i,input        [23:0]  	data_i,//矩阵化后的图像数据和控制信号output				vs_o,output				de_o,output	reg  [23:0]	mat11, output	reg  [23:0]	mat12,output	reg  [23:0]	mat13,output	reg	 [23:0]	mat21, output	reg  [23:0]	mat22, output	reg  [23:0]	mat23,output	reg	 [23:0]	mat31, output	reg  [23:0]	mat32, output	reg  [23:0]	mat33
);//wire define
wire  [23:0]  	row1_data;        //第一行数据
wire  [23:0]  	row2_data;        //第二行数据
wire	     	de_i_en ;//reg define
reg  [23:0]  row3_data;         //第三行数据,即当前正在接受的数据
reg  [23:0]  row3_data_d0;
reg  [23:0]  row3_data_d1;
reg  [23:0]  row2_data_d0;
reg  [1:0]   vs_i_d;
reg  [1:0]   de_i_d;assign	de_i_en = de_i_d[0] ;
assign	vs_o 	= vs_i_d[1];
assign	de_o  	= de_i_d[1] ;//当前数据放在第3行
always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)row3_data <= 0;else begin		if(de_i)row3_data <= data_i ;elserow3_data <= row3_data ;end
end//用于存储列数据的RAM
line_shift  u_line_shift
(.clk		    (clk),.de_i 			(de_i),.data_i	    	(data_i),   //当前行的数据.data1_o		(row2_data),   //前一行的数据.data2_o		(row1_data)    //前前一行的数据
);//将同步信号延迟两拍,用于同步化处理
always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begin		vs_i_d <= 0;de_i_d <= 0;endelse begin		vs_i_d  <= { vs_i_d[0], vs_i };de_i_d  <= { de_i_d[0], de_i };end
endalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginrow3_data_d1 <= 0;row3_data_d0 <= 0;row2_data_d0 <= 0;endelse beginrow3_data_d0 <= row3_data;row3_data_d1 <= row3_data_d0;row2_data_d0 <= row2_data;end
end//在同步处理后的控制信号下,输出图像矩阵
always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begin		{mat11, mat12, mat13} <= 0;{mat21, mat22, mat23} <= 0;{mat31, mat32, mat33} <= 0;endelse if(de_i_en) begin				{mat11, mat12, mat13} <= {mat12, mat13, row1_data};{mat21, mat22, mat23} <= {mat22, mat23, row2_data_d0};{mat31, mat32, mat33} <= {mat32, mat33, row3_data_d1};endelse begin		{mat11, mat12, mat13} <= 0;{mat21, mat22, mat23} <= 0;{mat31, mat32, mat33} <= 0;end
endendmodule

行移位模块

module line_shift(input 			clk,input           de_i,input   [23:0]  data_i,    //当前行的数据output  [23:0]  data1_o,   //前一行的数据output  [23:0]  data2_o    //前前一行的数据
);//reg define
reg  de_i_d0;
reg  de_i_d1;
reg  de_i_d2;
reg  [10:0]  ram_rd_addr;
reg  [10:0]  ram_rd_addr_d0;
reg  [10:0]  ram_rd_addr_d1;
reg  [23:0]  data_i_d0;
reg  [23:0]  data_i_d1;
reg  [23:0]  data_i_d2;
reg  [23:0]  data1_o_d0;//在数据到来时,RAM的读地址累加
always@(posedge clk)beginif(de_i)ram_rd_addr <= ram_rd_addr + 1 ;	elseram_rd_addr <= 0 ;
end//将数据使能延迟两拍
always@(posedge clk) beginde_i_d0 <= de_i;de_i_d1 <= de_i_d0;de_i_d2 <= de_i_d1;
end//将RAM地址延迟2拍
always@(posedge clk ) beginram_rd_addr_d0 <= ram_rd_addr;ram_rd_addr_d1 <= ram_rd_addr_d0;
end//输入数据延迟3拍送入RAM
always@(posedge clk)begindata_i_d0 <= data_i;data_i_d1 <= data_i_d0;data_i_d2 <= data_i_d1;
end//用于存储前一行图像的RAM
blk_mem_gen_0  u_ram_1024x8_0(.clka   (clk),.wea    (de_i_d2),.addra  (ram_rd_addr_d1),     //在延迟的第三个时钟周期,当前行的数据写入RAM0.dina   (data_i_d2),.clkb   (clk),.addrb  (ram_rd_addr),    .doutb  (data1_o)              //延迟一个时钟周期,输出RAM0中前一行图像的数据
);//寄存前一行图像的数据
always@(posedge clk)begindata1_o_d0  <= data1_o;
end//用于存储前前一行图像的RAM
blk_mem_gen_0  u_ram_1024x8_1(.clka   (clk),.wea    (de_i_d1),.addra  (ram_rd_addr_d0),.dina   (data1_o_d0),       //在延迟的第二个时钟周期,将前一行图像的数据写入RAM1.clkb   (clk),.addrb  (ram_rd_addr),.doutb  (data2_o)           //延迟一个时钟周期,输出RAM1中前前一行图像的数据
);endmodule

仿真模块

`timescale 1ns/1nsmodule pic_tb();reg             clk,rst_n				;reg [23:0]      data_in					;
wire      		hdmi_hs,hdmi_vs,hdmi_de ;
wire [23:0]  	hdmi_data  				;
wire 			data_req   				;reg  			vs_i,de_i	;
wire 			vs_o,de_o		;
wire [23:0]		mat11, mat12, mat13 ;
wire [23:0]		mat21, mat22, mat23 ;
wire [23:0]		mat31, mat32, mat33 ;
//延迟1clk,与data同步,hdmi时序中,data比de延迟了一个时钟周期
always @(posedge clk)beginvs_i <= hdmi_vs;de_i <= hdmi_de;
endinitial beginclk = 1;rst_n = 0;#20 rst_n = 1;
end
always #10 clk = ~clk;reg [23:0] img[0:1280*720-1];
reg [31:0] addr;
initial begin$readmemh("D:/pic/img2txt.txt",img);
endalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginaddr <= 0		;data_in <= 0	;endelse if(data_req) begindata_in	 <= img[addr];addr	 <= addr + 1;if(addr == (1280*720-1))addr <= 0;end
endhdmi_tim_gen u_hdmi_tim_gen(.clk		 	(clk),	.rst_n	  		(rst_n),//input.data_in	 	(data_in),//output.hdmi_hs	 	(hdmi_hs),.hdmi_vs	 	(hdmi_vs),.hdmi_de	 	(hdmi_de),.hdmi_data 		(hdmi_data),.data_req  		(data_req)
);kernel_3x3_gen u_kernel_3x3_gen(.clk        (clk), .rst_n      (rst_n),//预处理灰度数据.vs_i    		 (vs_i),.de_i     		 (de_i), .data_i          (hdmi_data),//输出3x3矩阵.vs_o   		(vs_o),.de_o    		(de_o),.mat11         (mat11),    .mat12         (mat12),    .mat13         (mat13),.mat21         (mat21),    .mat22         (mat22),    .mat23         (mat23),.mat31         (mat31),    .mat32         (mat32),    .mat33         (mat33)
);endmodule

整体架构

仿真结果

截取部分数据结果

mat31、mat32、mat33是第一行数据(最先输入的那一行),mat11、mat12、mat13是第三行数据(最后输入的那一行),可以看见数据的移位满足像素矩阵的要求。

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