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本帖最后由 正点原子 于 2021-1-23 15:32 编辑
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第四十五章基于OV5640的中值滤波实验
在数字图像处理中,无论是直接获取的灰度图像,还是由彩色图像转换得到的灰度图像,里面都有噪点的存在,噪点对图像质量有很大的影响。空间滤波是一种常用的降噪方法,进行中值滤波(一种空间滤波)不仅可以去除孤立噪点,而且可以保持图像的边缘特性,不会使图像产生显著的模糊,比较适合于实验中的人脸图像。本章实验将进行OV5640摄像头采集RGB565数据,转化为YUV数据,然后进行中值滤波的实验。
本章包括以下几个部分:
4545.1简介
45.2实验任务
45.3硬件设计
45.4程序设计
45.5下载验证
45.1简介
滤波是指接收(通过)或过滤掉信号中一定的频率分量,例如,通过低频率的滤波器称为低通滤波器。空间滤波是图像处理领域应用非常广泛的工具之一,它可以改善图像质量,包括去除高频噪点的干扰、图像平滑等。大家常见的空间滤波有中值滤波和均值滤波。
图像可以看成是一个定义在二维平面上的信号,该信号的幅值对应像素的灰度(彩色图像对应RGB三个分量)。图像的频率指的是空间频率,它和平常认知的物理频率是不同的。图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标,是灰度在平面空间上的梯度。不同频率信息在图像结构中有不同的作用。图像的主要成分是低频信息,它形成了图像的基本灰度等级,对图像结构的决定作用较小;中频信息决定了图像的基本结构,形成了图像的主要边缘结构;高频信息形成了图像的边缘和细节,是在中频信息上对图像内容的进一步强化。
大家也可以通过空间滤波器(也称为空间掩模、模板或窗口)直接作用于图像本身从而对图像进行滤波处理。空间滤波器由两部分组成:(1)邻域,(2)对该邻域包围的图像像素执行的预定义操作。领域是指一个像素点及其附近像素点所组成的空间。滤波会产生一个新像素,像素的坐标就是邻域中心的坐标,像素的值就是滤波操作的结果。
中值滤波就是一种很常见的空间滤波,它是一种非线性平滑技术。它将每一像素点及该像素点的邻域作为一个滤波模板,计算出模板中所有像素点灰度值的中值,然后用它代替模板中心像素点的值。图 45.1.1为像素点P及其周围8个像素点所组成的3x3滤波模板:
图 45.1.1 中值滤波模板
中值滤波是一种基于排序统计理论的非线性信号处理技术,它可以消除孤立的噪点,从而让图像中的像素值更接近真实值。红外图像中的盲元就是一种孤立噪点的例子。由于红外探测器制造过程中的缺陷,传感器中某些像元的输出可能会非常大,导致图像中对应的像素点非常亮,通常称之为盲元,如下图中红色箭头所示:
图 45.1.2 红外图像中的盲元
中值滤波对类似于上图中的脉冲噪点有良好的滤除作用,特别是在滤除噪点的同时,能够保护信号的边缘,使之不被模糊。这些优良特性是线性滤波方法所不具备的。此外,中值滤波的算法比较简单,也易于用硬件实现。所以,中值滤波方法一经提出后,便在数字信号处理领域得到广泛的应用。
关于中值滤波如何快速求得中值,有多种方法实现,例如冒泡排序法、选择排序法等方法。但是用Verilog实现这些排序算法不仅很复杂而且运算速率同时也会大大降低。在本章实验中采用流水线操作的方式,在图像的3x3矩阵中实现快速排序。下面是算法流程框图:
图 45.1.3 中值滤波算法框图
首先生成一个3x3的像素阵列,然后在分别对每行3个像素进行排序,得出每行的最大、 中值和最小值(如上图Max1、Med1和Min1)。接着,对排序后的矩阵进行处理,即提取三个最大值中的最小值(Minz_of_Max),三个中间值的中间值(Med_of_Med),以及三个最小值中的最大值(Max_of_Min)。最后,将得到的三个值,再次取中值,最终求得9个像素的中值。
45.2实验任务
本次实验任务是利用OV5640摄像头采集RGB565数据,将采集的数据转换为YUV数据,然后对YUV数据进行中值滤波处理,最后在HDMI显示器上显示。
45.3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。
45.4程序设计
根据实验任务,首先设计如图 45.4.1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的中值滤波实验系统框图如下图所示:
图 45.4.1 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 45.4.2 顶层模块原理图
FPGA顶层模块(ov5640_hdmi_median_filter)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TFT-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 45.4.3 vip模块框图
vip模块例化了RGB转YCbCr模块(rgb2ycbcr)和中值滤波模块(vip_gray_median_jilter)。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。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。
vip模块原理图如下图所示:
图 45.4.4 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_jilter”模块的输入,对灰度进行中值滤波处理,最后输出处理后的灰度数据“pos_img_y”。
图像处理模块负责图像数据的格式转换,代码如下:
- 1 module 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 [15:0] pre_rgb ,
- 11 input [10:0] xpos ,
- 12 input [10:0] 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 [15:0] post_rgb // RGB565颜色数据
- 19
- 20 );
- 21
- 22 //wire define
- 23 wire [ 7:0] img_y;
- 24 wire [ 7:0] post_img_y;
- 25 wire [15:0] post_rgb;
- 26 wire post_frame_vsync;
- 27 wire post_frame_hsync;
- 28 wire post_frame_de;
- 29 wire pe_frame_vsync;
- 30 wire pe_frame_href;
- 31 wire pe_frame_clken;
- 32 //*****************************************************
- 33 //** main code
- 34 //*****************************************************
- 35
- 36 assign post_rgb = {post_img_y[7:3],post_img_y[7:2],post_img_y[7:3]};
- 37
- 38 //RGB转YCbCr模块
- 39 rgb2ycbcr u_rgb2ycbcr(
- 40 //module clock
- 41 .clk (clk ), // 时钟信号
- 42 .rst_n (rst_n ), // 复位信号(低有效)
- 43 //图像处理前的数据接口
- 44 .pre_frame_vsync (pre_frame_vsync), // vsync信号
- 45 .pre_frame_hsync (pre_frame_hsync), // href信号
- 46 .pre_frame_de (pre_frame_de ), // data enable信号
- 47 .img_red (pre_rgb[15:11] ),
- 48 .img_green (pre_rgb[10:5 ] ),
- 49 .img_blue (pre_rgb[ 4:0 ] ),
- 50 //图像处理后的数据接口
- 51 .post_frame_vsync(pe_frame_vsync), // vsync信号
- 52 .post_frame_hsync(pe_frame_href), // href信号
- 53 .post_frame_de (pe_frame_clken), // data enable信号
- 54 .img_y (img_y), //灰度数据
- 55 .img_cb (),
- 56 .img_cr ()
- 57 );
- 58
- 59 //灰度图中值滤波
- 60 vip_gray_median_filter u_vip_gray_median_filter(
- 61 .clk (clk),
- 62 .rst_n (rst_n),
- 63
- 64 //处理前图像数据
- 65 .pe_frame_vsync (pe_frame_vsync), // vsync信号
- 66 .pe_frame_href (pe_frame_href), // href信号
- 67 .pe_frame_clken (pe_frame_clken), // data enable信号
- 68 .pe_img_y (img_y), //灰度数据
- 69
- 70 //处理后的图像数据
- 71 .pos_frame_vsync (post_frame_vsync), // vsync信号
- 72 .pos_frame_href (post_frame_hsync), // href信号
- 73 .pos_frame_clken (post_frame_de), // data enable信号
- 74 .pos_img_y (post_img_y) //中值滤波后的灰度数据
- 75 );
- 76 endmodule
复制代码
代码的第36行表示对滤波后的8bit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57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60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。
中值滤波模块的层次结构如下图:
图 45.4.5 中值滤波模块的层次结构
前面介绍过,通过对图像的3x3矩阵进行排序操作来实现中值滤波的,那么在实现中值滤波时,首先要生成3x3的矩阵。“vip_matrix_generate_3x3_8bit”模块实现的是对图像生成一个3x3数据矩阵。“median_filter_3x3”模块实现的是对图像生成的3x3数据矩阵进行中值滤波处理。
中值滤波模块代码如下:
- 1 module vip_gray_median_filter(
- 2 //时钟
- 3 input clk, //50MHz
- 4 input rst_n,
- 5
- 6 //处理前图像数据
- 7 input pe_frame_vsync, //处理前图像数据场信号
- 8 input pe_frame_href, //处理前图像数据行信号
- 9 input pe_frame_clken, //处理前图像数据输入使能效信号
- 10 input [7:0] pe_img_y, //灰度数据
- 11
- 12 //处理后的图像数据
- 13 output pos_frame_vsync, //处理后的图像数据场信号
- 14 output pos_frame_href, //处理后的图像数据行信号
- 15 output pos_frame_clken, //处理后的图像数据输出使能效信号
- 16 output [7:0] pos_img_y //处理后的灰度数据
- 17 );
- 18
- 19 //wire define
- 20 wire matrix_frame_vsync;
- 21 wire matrix_frame_href;
- 22 wire matrix_frame_clken;
- 23 wire [7:0] matrix_p11; //3X3 阵列输出
- 24 wire [7:0] matrix_p12;
- 25 wire [7:0] matrix_p13;
- 26 wire [7:0] matrix_p21;
- 27 wire [7:0] matrix_p22;
- 28 wire [7:0] matrix_p23;
- 29 wire [7:0] matrix_p31;
- 30 wire [7:0] matrix_p32;
- 31 wire [7:0] matrix_p33;
- 32 wire [7:0] mid_value;
- 33
- 34 //*****************************************************
- 35 //** main code
- 36 //*****************************************************
- 37 //在延迟后的行信号有效,将中值赋给灰度输出值
- 38 assign pos_img_y = pos_frame_href ? mid_value : 8'd0;
- 39
- 40 vip_matrix_generate_3x3_8bit u_vip_matrix_generate_3x3_8bit(
- 41 .clk (clk),
- 42 .rst_n (rst_n),
- 43
- 44 //处理前图像数据
- 45 .per_frame_vsync (pe_frame_vsync),
- 46 .per_frame_href (pe_frame_href),
- 47 .per_frame_clken (pe_frame_clken),
- 48 .per_img_y (pe_img_y),
- 49
- 50 //处理后的图像数据
- 51 .matrix_frame_vsync (matrix_frame_vsync),
- 52 .matrix_frame_href (matrix_frame_href),
- 53 .matrix_frame_clken (matrix_frame_clken),
- 54 .matrix_p11 (matrix_p11),
- 55 .matrix_p12 (matrix_p12),
- 56 .matrix_p13 (matrix_p13),
- 57 .matrix_p21 (matrix_p21),
- 58 .matrix_p22 (matrix_p22),
- 59 .matrix_p23 (matrix_p23),
- 60 .matrix_p31 (matrix_p31),
- 61 .matrix_p32 (matrix_p32),
- 62 .matrix_p33 (matrix_p33)
- 63 );
- 64
- 65 //3x3阵列的中值滤波,需要3个时钟
- 66 median_filter_3x3 u_median_filter_3x3(
- 67 .clk (clk),
- 68 .rst_n (rst_n),
- 69
- 70 .median_frame_vsync (matrix_frame_vsync),
- 71 .median_frame_href (matrix_frame_href),
- 72 .median_frame_clken (matrix_frame_clken),
- 73
- 74 //第一行
- 75 .data11 (matrix_p11),
- 76 .data12 (matrix_p12),
- 77 .data13 (matrix_p13),
- 78 //第二行
- 79 .data21 (matrix_p21),
- 80 .data22 (matrix_p22),
- 81 .data23 (matrix_p23),
- 82 //第三行
- 83 .data31 (matrix_p31),
- 84 .data32 (matrix_p32),
- 85 .data33 (matrix_p33),
- 86
- 87 .pos_median_vsync (pos_frame_vsync),
- 88 .pos_median_href (pos_frame_href),
- 89 .pos_median_clken (pos_frame_clken),
- 90 .target_data (mid_value)
- 91 );
- 92
- 93 endmodule
复制代码
在vip_gray_median_filter模块调用了vip_matrix_generate_3x3_8bit、median_filter_3x3两个模块,他们分别用于生成3x3矩阵和求得矩阵的中值。
vip_matrix_generate_3x3_8bit模块代码如下:
- 1 module vip_matrix_generate_3x3_8bit
- 2 (
- 3 input clk,
- 4 input rst_n,
- 5
- 6 input per_frame_vsync,
- 7 input per_frame_href,
- 8 input per_frame_clken,
- 9 input [7:0] per_img_y,
- 10
- 11 output matrix_frame_vsync,
- 12 output matrix_frame_href,
- 13 output matrix_frame_clken,
- 14 output reg [7:0] matrix_p11,
- 15 output reg [7:0] matrix_p12,
- 16 output reg [7:0] matrix_p13,
- 17 output reg [7:0] matrix_p21,
- 18 output reg [7:0] matrix_p22,
- 19 output reg [7:0] matrix_p23,
- 20 output reg [7:0] matrix_p31,
- 21 output reg [7:0] matrix_p32,
- 22 output reg [7:0] matrix_p33
- 23 );
- 24
- 25 //wire define
- 26 wire [7:0] row1_data;
- 27 wire [7:0] row2_data;
- 28 wire read_frame_href;
- 29 wire read_frame_clken;
- 30
- 31 //reg define
- 32 reg [7:0] row3_data;
- 33 reg [1:0] per_frame_vsync_r;
- 34 reg [1:0] per_frame_href_r;
- 35 reg [1:0] per_frame_clken_r;
- 36
- 37 //*****************************************************
- 38 //** main code
- 39 //*****************************************************
- 40
- 41 assign read_frame_href = per_frame_href_r[0] ;
- 42 assign read_frame_clken = per_frame_clken_r[0];
- 43 assign matrix_frame_vsync = per_frame_vsync_r[1];
- 44 assign matrix_frame_href = per_frame_href_r[1] ;
- 45 assign matrix_frame_clken = per_frame_clken_r[1];
- 46
- 47 //当前数据放在第3行
- 48 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 49 if(!rst_n)
- 50 row3_data <= 0;
- 51 else begin
- 52 if(per_frame_clken)
- 53 row3_data <= per_img_y ;
- 54 else
- 55 row3_data <= row3_data ;
- 56 end
- 57 end
- 58
- 59 //用于存储列数据的RAM
- 60 line_shift_ram_8bit u_line_shift_ram_8bit
- 61 (
- 62 .clock (clk),
- 63 .clken (per_frame_clken),
- 64 .per_frame_href (per_frame_href),
- 65
- 66 .shiftin (per_img_y),
- 67 .taps0x (row2_data),
- 68 .taps1x (row1_data)
- 69 );
- 70
- 71 //将同步信号延迟两拍,用于同步化处理
- 72 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 73 if(!rst_n) begin
- 74 per_frame_vsync_r <= 0;
- 75 per_frame_href_r <= 0;
- 76 per_frame_clken_r <= 0;
- 77 end
- 78 else begin
- 79 per_frame_vsync_r <= { per_frame_vsync_r[0], per_frame_vsync };
- 80 per_frame_href_r <= { per_frame_href_r[0], per_frame_href };
- 81 per_frame_clken_r <= { per_frame_clken_r[0], per_frame_clken };
- 82 end
- 83 end
- 84
- 85 //在同步处理后的控制信号下,输出图像矩阵
- 86 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 87 if(!rst_n) begin
- 88 {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13} <= 24'h0;
- 89 {matrix_p21, matrix_p22, matrix_p23} <= 24'h0;
- 90 {matrix_p31, matrix_p32, matrix_p33} <= 24'h0;
- 91 end
- 92 else if(read_frame_href) begin
- 93 if(read_frame_clken) begin
- 94 {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13} <= {matrix_p12, matrix_p13, row1_data};
- 95 {matrix_p21, matrix_p22, matrix_p23} <= {matrix_p22, matrix_p23, row2_data};
- 96 {matrix_p31, matrix_p32, matrix_p33} <= {matrix_p32, matrix_p33, row3_data};
- 97 end
- 98 else begin
- 99 {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13} <= {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13};
- 100 {matrix_p21, matrix_p22, matrix_p23} <= {matrix_p21, matrix_p22, matrix_p23};
- 101 {matrix_p31, matrix_p32, matrix_p33} <= {matrix_p31, matrix_p32, matrix_p33};
- 102 end
- 103 end
- 104 else begin
- 105 {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13} <= 24'h0;
- 106 {matrix_p21, matrix_p22, matrix_p23} <= 24'h0;
- 107 {matrix_p31, matrix_p32, matrix_p33} <= 24'h0;
- 108 end
- 109 end
- 110
- 111 endmodule
复制代码
为了获得3x3的滤波模板,本次实验需要使用RAM来存储图像前两行的数据,而当前输入的图像数据作为第三行,如代码中第55行所示。而在代码的第59至69行,当第三行数据到达时,通过调用line_shift_ram_8bit模块,读出寄存在RAM中的前两行数据,从而获得一个“三行一列”的像素数据。三行数据分别位于row1_data、row2_data和row3_data三个变量中,其中row3_data表示当前行(第三行)图像数据。
接下来,将“三行一列”的像素数据,连续寄存三次,从而获取一个“三行三列”的像素阵列,如代码中的第99至101行所示。其中,matrix_p11、matrix_p12、 matrix_p13代表阵列中第一行中的三列像素数据,而matrix_p21、matrix_p22、matrix_p23代表阵列中第二行中的三列像素数据,以此类推。这个“三行三列”的矩阵就是本次实验所需要的3x3模板。
前面获取“三行一列”和获取“三行三列”的操作分别需要一个时钟周期,即该模块生成3x3模板共消耗两个时钟周期。因此,还要对场有效信号、数据有效信号和时钟使能信号延迟两个周期以作同步,如代码第79至81行所示。
代码的第60行调用了“line_shift_ram_8bit”模块,其代码如下:
- 1 module line_shift_ram_8bit(
- 2 input clock,
- 3 input clken,
- 4 input per_frame_href,
- 5
- 6 input [7:0] shiftin,
- 7 output [7:0] taps0x,
- 8 output [7:0] taps1x
- 9 );
- 10
- 11 //reg define
- 12 reg [2:0] clken_dly;
- 13 reg [9:0] ram_rd_addr;
- 14 reg [9:0] ram_rd_addr_d0;
- 15 reg [9:0] ram_rd_addr_d1;
- 16 reg [7:0] shiftin_d0;
- 17 reg [7:0] shiftin_d1;
- 18 reg [7:0] shiftin_d2;
- 19 reg [7:0] taps0x_d0;
- 20
- 21 //*****************************************************
- 22 //** main code
- 23 //*****************************************************
- 24
- 25 //在数据来到时,ram地址累加
- 26 always@(posedge clock)begin
- 27 if(per_frame_href)
- 28 if(clken)
- 29 ram_rd_addr <= ram_rd_addr + 1 ;
- 30 else
- 31 ram_rd_addr <= ram_rd_addr ;
- 32 else
- 33 ram_rd_addr <= 0 ;
- 34 end
- 35
- 36 //时钟使能信号延迟三拍
- 37 always@(posedge clock) begin
- 38 clken_dly <= { clken_dly[1:0] , clken };
- 39 end
- 40
- 41
- 42 //将ram地址延迟二拍
- 43 always@(posedge clock ) begin
- 44 ram_rd_addr_d0 <= ram_rd_addr;
- 45 ram_rd_addr_d1 <= ram_rd_addr_d0;
- 46 end
- 47
- 48 //输入数据延迟三拍
- 49 always@(posedge clock)begin
- 50 shiftin_d0 <= shiftin;
- 51 shiftin_d1 <= shiftin_d0;
- 52 shiftin_d2 <= shiftin_d1;
- 53 end
- 54
- 55 //用于存储前一行图像的RAM
- 56 blk_mem_gen_0 u_ram_1024x8_0(
- 57 .clka (clock),
- 58 .wea (clken_dly[2]), //在延迟的第三个时钟周期,当前行的数据写入RAM0
- 59 .addra (ram_rd_addr_d1),
- 60 .dina (shiftin_d2),
- 61 .clkb (clock),
- 62 .addrb (ram_rd_addr),
- 63 .doutb (taps0x) //延迟一个时钟周期,输出RAM0中前一行图像的数据
- 64 );
- 65
- 66 //寄存一次前一行图像的数据
- 67 always@(posedge clock ) begin
- 68 taps0x_d0 <= taps0x;
- 69 end
- 70
- 71 blk_mem_gen_0 u_ram_1024x8_1(
- 72 .clka (clock),
- 73 .wea (clken_dly[1]), //在延迟的第二个时钟周期,将前一行图像的数据写入RAM1
- 74 .addra (ram_rd_addr_d0),
- 75 .dina (taps0x_d0),
- 76 .clkb (clock),
- 77 .addrb (ram_rd_addr),
- 78 .doutb (taps1x) //延迟一个时钟周期,输出RAM1中前前一行图像的数据
- 79 );
- 80
- 81 endmodule
复制代码
line_shift_ram_8bit模块中例化了两个RAM,分别用于存储图像前两行的数据。
在上述代码中,当数据有效信号和时钟使能信号同时为高时,RAM地址开始累加,如代码第26到34行所示。由于RAM地址在per_frame_href信号为低电平时清零;而当新的一行到达时,per_frame_href信号为高电平,RAM地址开始累加,所以RAM的地址等于每行图像像素的横坐标。因此就可以根据RAM地址从而读出当前行像素点对应的前两行的图像,如代码的第62和63行,以及77和78行所示。读出的数据直接传递到模块的输出端口,用于上层模块生成“三行一列”的像素数据。
在该模块中,RAM1(u_ram_1024x8_1)中存储的是第一行(前前一行)的数据,RAM0(u_ram_1024x8_0)中存储的是第二行(前一行)的数据,而输入的图像数据则作为第三行。如下图所示:
图 45.4.6 RAM中存储的两行图像
在读出两个RAM中前两行的图像数据之后,还要将RAM0中的数据写入RAM1,如代码中第73和75行所示;然后将新行图像数据写入RAM0,如代码第58和60行所示,从而不断更新两个RAM中的图像数据。
从RAM中读取数据,以及向RAM1和RAM0中更新数据各需要花费一个时钟周期,因此在代码的第37至39行将输入的clken信号延时了三个时钟周期。并使用延迟之后的clken信号作为两个RAM中的写使能信号,如代码的第58和73行所示。
下面我们将介绍中值算法模块,median_filter_3x3模块的代码如下:
- 1 module median_filter_3x3(
- 2 input clk,
- 3 input rst_n,
- 4 input median_frame_vsync,
- 5 input median_frame_href,
- 6 input median_frame_clken,
- 7
- 8 input [7:0] data11,
- 9 input [7:0] data12,
- 10 input [7:0] data13,
- 11 input [7:0] data21,
- 12 input [7:0] data22,
- 13 input [7:0] data23,
- 14 input [7:0] data31,
- 15 input [7:0] data32,
- 16 input [7:0] data33,
- 17
- 18 output [7:0] target_data,
- 19 output pos_median_vsync,
- 20 output pos_median_href,
- 21 output pos_median_clken
- 22 );
- 23
- 24 //--------------------------------------------------------------------------------------
- 25 //FPGA Median Filter Sort order
- 26 // Pixel -- Sort1 -- Sort2 -- Sort3
- 27 // [ P1 P2 P3 ] [ Max1 Mid1 Min1 ]
- 28 // [ P4 P5 P6 ] [ Max2 Mid2 Min2 ] [Max_min, Mid_mid, Min_max] mid_valid
- 29 // [ P7 P8 P9 ] [ Max3 Mid3 Min3 ]
- 30
- 31 //reg define
- 32 reg [2:0] median_frame_vsync_r;
- 33 reg [2:0] median_frame_href_r;
- 34 reg [2:0] median_frame_clken_r;
- 35 //wire define
- 36 wire [7:0] max_data1;
- 37 wire [7:0] mid_data1;
- 38 wire [7:0] min_data1;
- 39 wire [7:0] max_data2;
- 40 wire [7:0] mid_data2;
- 41 wire [7:0] min_data2;
- 42 wire [7:0] max_data3;
- 43 wire [7:0] mid_data3;
- 44 wire [7:0] min_data3;
- 45 wire [7:0] max_min_data;
- 46 wire [7:0] mid_mid_data;
- 47 wire [7:0] min_max_data;
- 48
- 49 //*****************************************************
- 50 //** main code
- 51 //*****************************************************
- 52
- 53 assign pos_median_vsync = median_frame_vsync_r[2];
- 54 assign pos_median_href = median_frame_href_r[2];
- 55 assign pos_median_clken = median_frame_clken_r[2];
- 56
- 57 //Step1 对stor3进行三次例化操作
- 58 sort3 u_sort3_1( //第一行数据排序
- 59 .clk (clk),
- 60 .rst_n (rst_n),
- 61
- 62 .data1 (data11),
- 63 .data2 (data12),
- 64 .data3 (data13),
- 65
- 66 .max_data (max_data1),
- 67 .mid_data (mid_data1),
- 68 .min_data (min_data1)
- 69 );
- 70
- 71 sort3 u_sort3_2( //第二行数据排序
- 72 .clk (clk),
- 73 .rst_n (rst_n),
- 74
- 75 .data1 (data21),
- 76 .data2 (data22),
- 77 .data3 (data23),
- 78
- 79 .max_data (max_data2),
- 80 .mid_data (mid_data2),
- 81 .min_data (min_data2)
- 82 );
- 83
- 84 sort3 u_sort3_3( //第三行数据排序
- 85 .clk (clk),
- 86 .rst_n (rst_n),
- 87
- 88 .data1 (data31),
- 89 .data2 (data32),
- 90 .data3 (data33),
- 91
- 92 .max_data (max_data3),
- 93 .mid_data (mid_data3),
- 94 .min_data (min_data3)
- 95 );
- 96
- 97 //Step2 对三行像素取得的排序进行处理
- 98 sort3 u_sort3_4( //取三行最大值的最小值
- 99 .clk (clk),
- 100 .rst_n (rst_n),
- 101
- 102 .data1 (max_data1),
- 103 .data2 (max_data2),
- 104 .data3 (max_data3),
- 105
- 106 .max_data (),
- 107 .mid_data (),
- 108 .min_data (max_min_data)
- 109 );
- 110
- 111 sort3 u_sort3_5( //取三行中值的最小值
- 112 .clk (clk),
- 113 .rst_n (rst_n),
- 114
- 115 .data1 (mid_data1),
- 116 .data2 (mid_data2),
- 117 .data3 (mid_data3),
- 118
- 119 .max_data (),
- 120 .mid_data (mid_mid_data),
- 121 .min_data ()
- 122 );
- 123
- 124 sort3 u_sort3_6( //取三行最小值的最大值
- 125 .clk (clk),
- 126 .rst_n (rst_n),
- 127
- 128 .data1 (min_data1),
- 129 .data2 (min_data2),
- 130 .data3 (min_data3),
- 131
- 132 .max_data (min_max_data),
- 133 .mid_data (),
- 134 .min_data ()
- 135 );
- 136
- 137 //step3 将step2 中得到的三个值,再次取中值
- 138 sort3 u_sort3_7(
- 139 .clk (clk),
- 140 .rst_n (rst_n),
- 141
- 142 .data1 (max_min_data),
- 143 .data2 (mid_mid_data),
- 144 .data3 (min_max_data),
- 145
- 146 .max_data (),
- 147 .mid_data (target_data),
- 148 .min_data ()
- 149 );
- 150
- 151 //延迟三个周期进行同步
- 152 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
- 153 if(!rst_n)begin
- 154 median_frame_vsync_r <= 0;
- 155 median_frame_href_r <= 0;
- 156 median_frame_clken_r <= 0;
- 157 end
- 158 else begin
- 159 median_frame_vsync_r <= {median_frame_vsync_r[1:0],median_frame_vsync};
- 160 median_frame_href_r <= {median_frame_href_r [1:0], median_frame_href};
- 161 median_frame_clken_r <= {median_frame_clken_r[1:0],median_frame_clken};
- 162 end
- 163 end
- 164
- 165 endmodule
复制代码
在median_3x3模块实现了简介中所介绍的取中值的快速算法,如下图所示:
图 45.4.7 取中值快速算法
图 45.4.7中所示的算法在模块中的实现共分为三步:第一步(step1),例化了三次sort3模块,用以对矩阵的每一行数据进行排序,分别求出矩阵每一行的最小值、中值和最大值,如程序第58到95行;第二步(step2),再例化三次sort3模块,与之前不同的是,此处sort3模块的输入是step1得到的三行数据每一行的三个最小值、三个中值和三个最大值,并输出三个最小值的最大值,三个中值的中间值以及三个最大值的最小值,如代码第98到135行;第三步(step3),再次例化sort3,并以step2中得到的三个最小值、中值及最大值作为输入,取三个值的中值,如代码第139行到150行。
经过以上三步排序操作,就能得到3x3模板的中值。由于在求得中值过程中,step1、step2和step3一共需要消耗三个时钟周期,因此需要将median_frame_vsync、median_frame_href和median_frame_clken三个信号延迟三个时钟周期以作同步,如代码第152到163行。
在median_filter_3x3模块多次调用了sort3模块,sort3模块是一个针对三个数据进行排序操作的模块,它的代码如下:
- 1 module sort3(
- 2 input clk,
- 3 input rst_n,
- 4 input [7:0] data1,
- 5 input [7:0] data2,
- 6 input [7:0] data3,
- 7
- 8 output reg [7:0] max_data,
- 9 output reg [7:0] mid_data,
- 10 output reg [7:0] min_data
- 11 );
- 12
- 13 //-----------------------------------
- 14 //对三个数据进行排序
- 15 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
- 16 if(!rst_n)begin
- 17 max_data <= 0;
- 18 mid_data <= 0;
- 19 min_data <= 0;
- 20 end
- 21 else begin
- 22 //取最大值
- 23 if(data1 >= data2 && data1 >= data3)
- 24 max_data <= data1;
- 25 else if(data2 >= data1 && data2 >= data3)
- 26 max_data <= data2;
- 27 else//(data3 >= data1 && data3 >= data2)
- 28 max_data <= data3;
- 29 //取中值
- 30 if((data1 >= data2 && data1 <= data3) || (data1 >= data3 && data1 <= data2))
- 31 mid_data <= data1;
- 32 else if((data2 >= data1 && data2 <= data3) || (data2 >= data3 && data2 <= data1))
- 33 mid_data <= data2;
- 34 else//((data3 >= data1 && data3 <= data2) || (data3 >= data2 && data3 <= data1))
- 35 mid_data <= data3;
- 36 //取最小值
- 37 if(data1 <= data2 && data1 <= data3)
- 38 min_data <= data1;
- 39 else if(data2 <= data1 && data2 <= data3)
- 40 min_data <= data2;
- 41 else//(data3 <= data1 && data3 <= data2)
- 42 min_data <= data3;
- 43
- 44 end
- 45 end
- 46
- 47 endmodule
复制代码
我们对模块median_filter_3x3进行中值提取的结果进行了仿真,仿真结果如下图所示:
图 45.4.8 Median_Filter_3X3仿真图
如上图所示,红色标记部分,矩阵的三行数据分别为{100,140,30}、{140,30,70}和{30,70,110}按本文中所介绍的中值滤波算法可以求得中值为70。由于median_filter模块的中值提取操作共消耗了三个时钟周期,所以中值(mid_value)会在三个时钟周期后输出,上图仿真结果图也表明中值是在三个周期后输出。如图中红色圆圈所指示,模块输出的中值也是70,与本次实验计算的相同,这说明中值提取成功。
45.5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显示器显示的灰度图案。如下图所示,大家可以看到中值滤波处理后的图像与原图几乎没有差别,这是因为现如今的彩色摄像头的采集的图像质量都很高,含有的干扰很少,因此在中值滤波前后图像差别不明显,中值滤波结果可以用仿真来验证。
图 45.5.1 HDMI实时显示灰度图像
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