【正点原子FPGA连载】第四十六章基于OV5640的二值化实验
本帖最后由 正点原子 于 2021-1-23 15:31 编辑1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板
2)章节摘自【正点原子】达芬奇之FPGA开发指南
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第四十六章基于OV5640的二值化实验
在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，图像的二值化使图像中数据量大为减少，还能凸显出目标的轮廓。图像二值化在计算机视觉、图像分割以及人工智能等方面有着广泛应用。在本章节将进行基于OV5640的二值化实验。
本章包括以下几个部分：
4646.1简介
46.2实验任务
46.3硬件设计
46.4程序设计
46.5下载验证
46.1简介
图像二值化（Image Binarization）就是将图像上的像素点的灰度值设置为最大（白色）或最小（黑色），也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程。这里以8bit表示的灰度图像为例（灰度值的范围为0~255），二值化就是通过选取适当的阈值，与图像中的256个亮度等级进行比较。亮度高于阈值的像素点设置为白色（255），低于阈值的像素点设置为黑色（0），从而明显地反映出图像的整体和局部特征。
在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，特别是在实时的图像处理中，通过二值图像来构成的系统有很多。要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像，这样有利于在对图像做进一步处理时，图像的集合性质只与像素值为0或255的点的位置有关，不再涉及像素的多级值，使处理变得简单。为了得到理想的二值图像，一般采用封闭、连通的边界定义不交叠的区域。所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值用255表示，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。
实现二值化有两种方法，一种是手动指定一个阈值，通过阈值来进行二值化处理；另一种是一个自适应阈值二值化方法（OTSU算法和Kittle算法等）。使用第一种方法计算量小速度快，但在处理不同图像时颜色分布差别很大；使用第二种方法适用性强，能直接观测出图像的轮廓，但计算相对更复杂。本章节实验将使用第一种方法来实现图像的二值化。
如果某特定物体在内部有均匀一致的灰度值，并且其处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景下，使用制定阈值的方法，可以得到比较有效的分割效果。如果物体同背景的差别表现不在灰度值上（比如纹理不同），可以将这个差别特征转换为灰度的差别，然后利用阈值选取技术来分割该图像。
46.2实验任务
本节实验任务是在达芬奇开发板上使用OV5640摄像头采集RGB565数据，将数据转化成Ycbcr格式，然后进行灰度二值化，并通过HDMI显示。
46.3硬件设计
本章节中硬件设计与“OV5640摄像头HDMI显示实验”完全相同，此处不再赘述。
46.4程序设计
根据实验任务，首先设计如图 46.4.1所示的系统框图，本章实验的系统框架延续了“OV5640摄像头HDMI灰度显示实验”的整体架构。本次实验包括以下模块：时钟模块、图像分辨率设置模块、DDR控制器模块、摄像头驱动模块、图像处理模块和HDMI顶层模块。其中时钟模块、DDR控制器模块、HDMI顶层模块、图像分辨率设置模块和摄像头驱动模块没有做任何修改，这些模块在“OV5640摄像头HDMI显示实验”中已经说明过，这里不再详述，本次实验只对图像处理模块做了修改。
OV5640的二值化实验系统框图如下图所示：
图 46.4.1 顶层系统框图
由上图可知，时钟模块（clk_wiz_0）为HDMI顶层模块、DDR控制模块以及OV5640驱动模块提供驱动时钟。OV5640驱动模块控制着传感器初始化的开始与结束，传感器初始化完成后将采集到的数据写入图像处理模块。图像处理模块将摄像头数据进行处理后存入DDR控制模块。顶层模块从DDR控制模块中读出数据并驱动显示器显示，这时整个系统才完成了数据的采集、缓存与显示。需要注意的是图像数据采集模块是在DDR3和传感器都初始化完成之后才开始输出数据的，避免了在DDR3初始化过程中向里面写入数据。
顶层模块的原理图如下图所示：
图 46.4.2 顶层模块原理图
FPGA顶层模块（ov5640_hdmi_img_binarization）例化了以下五个模块：时钟模块（clk_wiz_0）、OV5640驱动模块（ov5640_dri）、图像处理模块（vip）、DDR控制模块（ddr3_top）和HDMI顶层模块（hdmi_top）。
时钟模块（clk_wiz_0）：时钟模块通过调用MMCM IP核实现，共输出4个时钟，频率分别为200Mhz（DDR3参考时钟）、50Mhz时钟、65Mhz时钟和325M时钟（HDMI像素时钟的5倍频）。200Mhz时钟作为DDR控制模块的参考时钟，由MIG IP核产生的ui_clk（本次设计为100Mhz）作为DDR控制模块的驱动时钟，50Mhz时钟作为OV5640驱动模块驱动时钟，65Mhz时钟和325M时钟（HDMI像素时钟的5倍频）负责驱动HDMI顶层模块。
OV5640驱动模块（ov5640_dri）：OV5640驱动模块负责驱动OV5640 SCCB接口总线，将像素时钟驱动下的传感器输出的场同步信号、行同步信号以及8位数据转换成DDR读写控制模块的写使能信号和16位写数据信号，完成对OV5640传感器图像的采集。
图像处理模块（vip）：对采集后的图像数据进行处理，并将处理后的数据存入DDR控制模块。
DDR控制模块（ddr3_top）：DDR读写控制器模块负责驱动DDR片外存储器，缓存图像传感器输出的图像数据。该模块将MIG IP核复杂的读写操作封装成类似FIFO的用户接口，非常方便用户的使用。
有关DDR控制模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头RGB-LCD显示实验”章节。
HDMI顶层模块（hdmi_top）：HDMI顶层模块负责驱动HDMI显示器的驱动信号的输出，同时为其他模块提供显示器参数、场同步信号和数据请求信号。关HDMI顶层模块的详细介绍请大家参考“OV5640摄像头HDMI显示实验”章节。
VIP模块框图如下图所示：
图 46.4.3 vip模块框图
vip模块例化了RGB转YCbCr模块（rgb2ycbcr）、中值滤波模块（vip_gray_median_jilter）和二值化模块（binarization）。RGB转YCbCr模块负责将摄像头采集的RGB565格式数据到转换为YUV格式的数据。中值滤波模块负责将YUV格式的视频图像进行中值滤波后输出。二值化模块负责将中值滤波后的视频图像进行二值化处理再输出。有关RGB转YCbCr模块的详细介绍请大家参考“OV5640摄像头HDMI灰度显示实验”章节。有关中值滤波模块的详细介绍请大家参考“基于OV5640的中值滤波实验”章节。
vip模块原理图如下图所示：
图 46.4.4 vip模块原理图
如上图所示，摄像头采集到16位rgb565输入vip模块，经过“rgb2ycbcr”模块转化为8位的yuv444数据，然后在将转化后的灰度数据（img_y）作为“vip_gray_median_filter”模块的输入，对灰度进行中值滤波处理，再将中值滤波后的数据输入进二值化模块，对数据进行二值化处理，最后输出经过二值化处理后的灰度数据“monoc”。
图像处理模块负责图像数据的格式转换，代码如下：
1module vip(
2 //module clock
3 input clk , // 时钟信号
4 input rst_n , // 复位信号（低有效）
5
6 //图像处理前的数据接口
7 input pre_frame_vsync,
8 input pre_frame_hsync,
9 input pre_frame_de ,
10 input pre_rgb ,
11 input xpos ,
12 input ypos ,
13
14 //图像处理后的数据接口
15 output post_frame_vsync,// 场同步信号
16 output post_frame_hsync,// 行同步信号
17 output post_frame_de ,// 数据输入使能
18 output post_rgb // RGB565颜色数据
19
20
21 );
22
23 //wire define
24 wire [ 7:0] img_y;
25 wire [ 7:0] post_img_y;
26 wire post_rgb;
27 wire post_frame_vsync;
28 wire post_frame_hsync;
29 wire post_frame_de;
30 wire pe_frame_vsync;
31 wire pe_frame_href;
32 wire pe_frame_clken;
33 wire ycbcr_vsync;
34 wire ycbcr_hsync;
35 wire ycbcr_de;
36 wire monoc;
37 //*****************************************************
38 //** main code
39 //*****************************************************
40
41 assignpost_rgb = {16{monoc}};
42
43 //RGB转YCbCr模块
44 rgb2ycbcr u_rgb2ycbcr(
45 //module clock
46 .clk (clk ), // 时钟信号
47 .rst_n (rst_n), // 复位信号（低有效）
48 //图像处理前的数据接口
49 .pre_frame_vsync (pre_frame_vsync), // vsync信号
50 .pre_frame_hsync (pre_frame_hsync), // href信号
51 .pre_frame_de (pre_frame_de ), // data enable信号
52 .img_red (pre_rgb ),
53 .img_green (pre_rgb ),
54 .img_blue (pre_rgb[ 4:0 ] ),
55 //图像处理后的数据接口
56 .post_frame_vsync(pe_frame_vsync), // vsync信号
57 .post_frame_hsync(pe_frame_href), // href信号
58 .post_frame_de (pe_frame_clken), // data enable信号
59 .img_y (img_y), //灰度数据
60 .img_cb (),
61 .img_cr ()
62 );
63
64 //灰度图中值滤波
65 vip_gray_median_filter u_ vip_gray_median_filter (
66 .clk (clk),
67 .rst_n(rst_n),
68
69 //预处理图像数据
70 .pe_frame_vsync (pe_frame_vsync), // vsync信号
71 .pe_frame_href(pe_frame_href), // href信号
72 .pe_frame_clken (pe_frame_clken), // data enable信号
73 .pe_img_y (img_y),
74
75 //处理后的图像数据
76 .pos_frame_vsync (ycbcr_vsync), // vsync信号
77 .pos_frame_href(ycbcr_hsync), // href信号
78 .pos_frame_clken (ycbcr_de), // data enable信号
79 .pos_img_y (post_img_y) //中值滤波后的灰度数据
80 );
81
82 //二值化模块
83 binarizationu_binarization(
84 .clk (clk),
85 .rst_n (rst_n),
86 //图像处理前的数据接口
87 .ycbcr_vsync (ycbcr_vsync),
88 .ycbcr_hsync (ycbcr_hsync),
89 .ycbcr_de (ycbcr_de),
90 .luminance (post_img_y),
91 //图像处理后的数据接口
92 .post_vsync(post_frame_vsync),
93 .post_hsync(post_frame_hsync),
94 .post_de (post_frame_de),
95 .monoc (monoc) //二值化后的数据
96 );
97 endmodule
代码的第37行表示对二值化后的1bit灰度数据进行位拼接，形成16bit的RGB565格式的数据输出。
代码的第39行至58行是对灰度转换模块的例化，在该模块以摄像头采集的16位RGB565红、绿、蓝三原色数据作为输入数据，通过算法实现RGB到YCbCr的转换，并输出8位灰度数据，并输出数据输出使能信号。有关RGB转YCbCr模块的详细介绍请大家参考“OV5640摄像头HDMI灰度显示实验”章节。
代码的第61行至75行是对中值滤波模块的例化，该模块负责将YUV格式的视频图像进行中值滤波后输出。有关中值滤波模块的详细介绍请大家参考“基于OV5640的中值滤波实验”章节。
代码的第83行至96行是对二值化模块的例化，该模块主要是根据设定阈值，将图像化分为黑白两种颜色。
中值滤波模块和灰度转换模块在前面的章节已经讲解过，本次实验不在讲述。本次实验重点讲解二值化模块，下面是二值化模块的代码。
1module binarization(
2 //module clock
3 input clk , // 时钟信号
4 input rst_n , // 复位信号（低有效）
5
6 //图像处理前的数据接口
7 input ycbcr_vsync , // vsync信号
8 input ycbcr_hsync , // hsync信号
9 input ycbcr_de , // data enable信号
10 input luminance ,
11
12 //图像处理后的数据接口
13 output post_vsync , // vsync信号
14 output post_hsync , // hsync信号
15 output post_de , // data enable信号
16 output reg monoc // monochrome（1=白，0=黑）
17 );
18
19 //reg define
20 reg ycbcr_vsync_d;
21 reg ycbcr_hsync_d;
22 reg ycbcr_de_d ;
23
24 //*****************************************************
25 //** main code
26 //*****************************************************
27
28 assignpost_vsync = ycbcr_vsync_d;
29 assignpost_hsync = ycbcr_hsync_d;
30 assignpost_de = ycbcr_de_d ;
31
32 //二值化
33 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
34 if(!rst_n)
35 monoc <= 1'b0;
36 else if(luminance > 8'd64)//阈值
37 monoc <= 1'b1;
38 else
39 monoc <= 1'b0;
40 end
41
42 //延时1拍以同步时钟信号
43 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
44 if(!rst_n) begin
45 ycbcr_vsync_d <= 1'd0;
46 ycbcr_hsync_d <= 1'd0;
47 ycbcr_de_d <= 1'd0;
48 end
49 else begin
50 ycbcr_vsync_d <= ycbcr_vsync;
51 ycbcr_hsync_d <= ycbcr_hsync;
52 ycbcr_de_d <= ycbcr_de ;
53 end
54 end
55
56 endmodule
二值化的主要原理就是，给出一个设定的阈值，将灰度值与该阈值比较，若灰度值大于该阈值则monoc为1，若小于阈值，则monoc为0，如代码第33到40行。理论上阈值可以是0到255中的任意值，但阈值过大，会提取多余的部分；而阈值过小，又会丢失所需的部分，因此阈值选取就是一个很重要的步骤。
在代码第43到54行，通过寄存操作对gray_vsync、gray_clken等信号作了一个时钟周期的延迟。这是因为在进行二值判定时消耗了一个时钟，因此相应的同步信号也要延迟一个时钟周期，以实现与数据的同步。
46.5下载验证
编译完工程之后就可以开始下载程序了。将OV5640摄像头模块插在达芬奇开发板的“OLED/CAMERA”插座上，并将HDMI电缆一端连接到开发板上的HDMI_B插座、另一端连接到显示器。将下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG端口连接，连接电源线并打开电源开关。接下来我们下载程序，下载完成后观察HDMI显示器显示的二值化后的图案。如下图所示：
图 46.5.1HDMI实时显示二值化图像
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