FPGA图像处理之构建3×3矩阵

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前言

在FPGA上使用3×3矩阵进行图像处理时，它通常用于执行一些空间卷积操作，以实现各种图像处理功能，如过滤、边缘检测、模糊化或颜色校正。以下是3×3矩阵在图像处理中的几个主要应用和意义：

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一、图像卷积操作

• 平滑/模糊（Smoothing/Blurring）： 使用像素周围的9个像素值加权平均，可以去除噪声或平滑图像。常用的3×3矩阵是高斯模糊滤波器。
• 边缘检测（Edge Detection）： 例如Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子等，用于检测图像的边缘。这些算法通常使用特定的3×3矩阵来突出图像中的边缘。

二、图像增强与锐化

3×3矩阵可以用于图像增强和锐化，比如高通滤波器可以用来增强图像的边缘，使得图像看起来更加锐利。

三、去噪

3×3矩阵在去噪中也扮演了重要角色，比如使用均值滤波或中值滤波来去除图像噪声。

四、FPGA实现3×3矩阵方案

在FPGA上通过两个FIFO来实现3×3矩阵处理的方案是一个经典的设计，通常用于图像卷积等窗口操作。两个FIFO的作用是帮助构建滑窗所需的行缓冲区，以便在实时流处理图像时同时处理三行像素，从而构成3×3窗口。

具体方案如下：

1. 3×3矩阵的构建

要在FPGA上实现3×3滑动窗口处理，必须同时获取图像的当前行及其上一行和下一行的像素值。对于逐行输入的数据流，我们需要两个行缓冲区来存储上两行的数据，当前行的数据直接通过寄存器进行处理。

2. FIFO的作用

• 第一个FIFO： 用来存储前一行的数据，起到行缓冲区的作用。
• 第二个FIFO： 用来存储当前行的数据，当下一行数据到来时，当前行数据会推送到FIFO中。

这两个FIFO可以让FPGA并行处理三行像素数据，即上一行、当前行和下一行，从而构建3×3的矩阵窗口。

3. 滑窗的滑动

• 对于每一行像素数据，输入时先将前两行的数据分别存入两个FIFO中。这样，当读取当前行时，可以从两个FIFO中分别读取上一行和前一行数据。
• 对于当前像素点的操作，取出FIFO中的对应数据，再结合当前行的像素数据，形成完整的3×3窗口。

注：在FPGA上使用3×3滑窗进行图像处理时，最外圈的像素无法成为滑窗的中心点，这是因为滑窗需要足够数量的相邻像素来填充其3×3的结构。滑窗的中心点需要周围有一圈像素来参与计算，而图像的最边缘像素周围缺少足够的邻居像素，因此不能满足3×3滑窗的要求。

五、HDL示例

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2024/10/21 11:04:02
// Design Name: 
// Module Name: matrix_3
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//module matrix_3#(	parameter COL = 640	,parameter ROW = 480	
)
(input 				pk_clk			,input 				rst_n		    ,input               hsync_i		    ,input  	   [7:0] 	pixel		    ,output 	          	hsync_o	        ,output reg [7:0]	matrix11        ,output reg [7:0]    matrix12        ,output reg [7:0]    matrix13        ,output reg [7:0]	matrix21        ,output reg [7:0]    matrix22        ,output reg [7:0]    matrix23        ,output reg [7:0]	matrix31        ,output reg [7:0]    matrix32        ,output reg [7:0]    matrix33        );reg [11:0]  h_cnt   ;reg [11:0]  v_cnt   ;wire        wr_en   ;    wire        rd_en   ;wire[7:0]   line3_p ;                                                                                                           wire[7:0]   line2_p ;wire[7:0]   line1_p ; always@(posedge pk_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)h_cnt <= 'd0;else if(hsync_i==1'b1) h_cnt <= h_cnt + 1'b1;else h_cnt <= 'd0;always@(posedge pk_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)v_cnt <= 'd0;else if(h_cnt==COL-1 && v_cnt==ROW-1)v_cnt <= 'd0;else if(h_cnt==COL-1) v_cnt <= v_cnt + 1'b1;else v_cnt <= v_cnt;//最后一行像素不进入FIFO//          
assign    wr_en = (v_cnt==ROW-1)?1'b0:hsync_i;        
assign    rd_en = (v_cnt>0)?hsync_i:1'b0;          
assign  line3_p = pixel;        matrix_fifo line2 (.clk     (  pk_clk  ),      .din     (  pixel   ),    .wr_en   (  wr_en   ),  .rd_en   (  rd_en   ),  .dout    ( line2_p  )
); matrix_fifo line1 (.clk     (  pk_clk  ),      .din     (  line2_p ),    .wr_en   (  wr_en   ),  .rd_en   (  rd_en   ),  .dout    ( line1_p  )
); always@(posedge pk_clk or negedge rst_n)if(hsync_i==1'b1)begin{matrix11,matrix12,matrix13} <= {matrix12,matrix13,line1_p};{matrix21,matrix22,matrix23} <= {matrix22,matrix23,line2_p};{matrix31,matrix32,matrix33} <= {matrix32,matrix33,line3_p};endelse begin{matrix11,matrix12,matrix13} <= 'd0;{matrix21,matrix22,matrix23} <= 'd0;{matrix31,matrix32,matrix33} <= 'd0;end     reg [2:0] h_r;always@(posedge pk_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)   h_r <= 'd0;else h_r <= {h_r[1:0],hsync_i};assign  hsync_o = h_r[2];   endmodule

注：从第三行开始才能构建3×3矩阵

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总结

再见