《新起点V2之FPGA开发指南》第五十二章基于OV5640摄像头的二值化

正点原子 · 发表于 2021-10-29 16:13:38

本帖最后由正点原子于 2021-10-30 10:54 编辑

1）实验平台：正点原子新起点V2FPGA开发板
2) 章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609758951113
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-328002-1-1.html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群：712557122

第五十二章基于OV5640摄像头的二值化实验

   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：
   1.1简介
   1.2实验任务
   1.3硬件设计
   1.4程序设计
   1.5下载验证

1.1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。
1.2实验任务
   本节实验任务是在新起点开发板上使用OV5640摄像头采集RGB565数据，将数据转化成YCbCr格式，然后进行中值滤波，最后在将灰度值二值化，并通过HDMI显示。
1.3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。
1.4程序设计
   根据实验任务，首先设计如图 52.4.1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、SDRAM控制器模块、IIC驱动模块、IIC配置模块、摄像头采集模块、图像处理模块和HDMI顶层模块。其中时钟模块、SDRAM控制器模块、IIC驱动模块、IIC配置模块、摄像头采集模块和HDMI顶层模块本次实验没有做任何修改，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，本次实验只是修改了图像处理模块。
OV5640的二值化实验系统框图如下图所示：

图 52.4.1 顶层系统框图

由上图可知，时钟模块（pll和pll_hdmi）为HDMI顶层模块、SDRAM控制模块以及IIC驱动模块提供驱动时钟。IIC驱动模块和IIC配置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摄像头采集模块。数据在摄像头采集模块处理完成后写入图像处理模块，图像处理模块将摄像头数据进行处理后存入SDRAM控制模块。顶层模块从SDRAM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SDRAM和传感器都初始化完成之后才开始输出数据的，避免了在SDRAM初始化过程中向里面写入数据。
顶层模块代码如下所示：

1 module ov5640_hdmi_img_binarization（
2 input sys_clk ， //系统时钟
3 input sys_rst_n ， //系统复位，低电平有效
4 //摄像头
5 input cam_pclk ， //cmos 数据像素时钟
6 input cam_vsync ， //cmos 场同步信号
7 input cam_href ， //cmos 行同步信号
8 input [7:0] cam_data ， //cmos 数据
9 output cam_rst_n ， //cmos 复位信号，低电平有效
10 output cam_pwdn ， //cmos 电源休眠模式选择信号
11 output cam_scl ， //cmos SCCB_SCL线
12 inout cam_sda ， //cmos SCCB_SDA线
13 //SDRAM
14 output sdram_clk ， //SDRAM 时钟
15 output sdram_cke ， //SDRAM 时钟有效
16 output sdram_cs_n ， //SDRAM 片选
17 output sdram_ras_n， //SDRAM 行有效
18 output sdram_cas_n， //SDRAM 列有效
19 output sdram_we_n ， //SDRAM 写有效
20 output [1:0] sdram_ba ， //SDRAM Bank地址
21 output [1:0] sdram_dqm ， //SDRAM 数据掩码
22 output [12:0] sdram_addr ， //SDRAM 地址
23 inout [15:0] sdram_data ， //SDRAM 数据
24 //HDMI接口
25 output tmds_clk_p， // TMDS 时钟通道
26 output tmds_clk_n，
27 output [2:0] tmds_data_p， // TMDS 数据通道
28 output [2:0] tmds_data_n
29 ）;
30
31 //parameter define
32 parameter SLAVE_ADDR = 7'h3c ; //OV5640的器件地址7'h3c
33 parameter BIT_CTRL = 1'b1 ; //OV5640的字节地址为16位 0:8位 1:16位
34 parameter CLK_FREQ = 27'd50_000_000 ; //i2c_dri模块的驱动时钟频率
35 parameter I2C_FREQ = 18'd250_000 ; //I2C的SCL时钟频率，不超过400KHz
36 parameter V_CMOS_DISP = 11'd800 ; //CMOS分辨率--行
37 parameter H_CMOS_DISP = 11'd1280 ; //CMOS分辨率--列
38 parameter TOTAL_H_PIXEL = 13'd2570 ; //CMOS分辨率--行
39 parameter TOTAL_V_PIXEL = 13'd980 ;
40
41 //wire define
42 wire clk_100m ; //100mhz时钟，SDRAM操作时钟
43 wire clk_100m_shift ; //100mhz时钟，SDRAM相位偏移时钟
44 wire clk_50m ;
45 wire hdmi_clk ;
46 wire hdmi_clk_5 ;
47 wire locked ;
48 wire locked_hdmi ;
49 wire rst_n ;
50 wire sys_init_done ; //系统初始化完成（sdram初始化+摄像头初始化）
51 wire i2c_exec ; //I2C触发执行信号
52 wire [23:0] i2c_data ; //I2C要配置的地址与数据（高8位地址，低8位数据）
53 wire i2c_done ; //I2C寄存器配置完成信号
54 wire i2c_dri_clk ; //I2C操作时钟
55 wire [ 7:0] i2c_data_r ; //I2C读出的数据
56 wire i2c_rh_wl ; //I2C读写控制信号
57 wire cam_init_done ; //摄像头初始化完成
58 wire wr_en ; //sdram_ctrl模块写使能
59 wire [15:0] wr_data ; //sdram_ctrl模块写数据
60 wire rd_en ; //sdram_ctrl模块读使能
61 wire [15:0] rd_data ; //sdram_ctrl模块读数据
62 wire sdram_init_done ; //SDRAM初始化完成
63 wire [10:0] pixel_xpos_w ; //HDMI横坐标
64 wire [10:0] pixel_ypos_w ; //HDMI纵坐标
65 wire post_frame_vsync ; //处理后的场信号
66 wire post_frame_hsync ; //处理后的行信号
67 wire post_frame_de ; //处理后的数据使能
68 wire [15:0] post_rgb ; //处理后的数据
69
70 //*****************************************************
71 //** main code
72 //*****************************************************
73
74 assign rst_n = sys_rst_n & locked & locked_hdmi;
75 //系统初始化完成：SDRAM和摄像头都初始化完成
76 //避免了在SDRAM初始化过程中向里面写入数据
77 assign sys_init_done = sdram_init_done & cam_init_done;
78 //电源休眠模式选择 0：正常模式 1：电源休眠模式
79 assign cam_pwdn = 1'b0;
80 assign cam_rst_n = 1'b1;
81
82 //锁相环
83 pll u_pll（
84 .areset （~sys_rst_n），
85 .inclk0 （sys_clk），
86 .c0 （clk_100m），
87 .c1 （clk_100m_shift），
88 .c2 （clk_50m），
89 .locked （locked）
90 ）;
91
92 pll_hdmi pll_hdmi_inst （
93 .areset （ ~sys_rst_n ），
94 .inclk0 （ sys_clk ），
95 .c0 （ hdmi_clk ），//hdmi pixel clock 71Mhz
96 .c1 （ hdmi_clk_5 ），//hdmi pixel clock*5 355Mhz
97 .locked （ locked_hdmi ）
98 ）;
99
100 //I2C配置模块
101 i2c_ov5640_rgb565_cfg u_i2c_cfg（
102 .clk （i2c_dri_clk），
103 .rst_n （rst_n ），
104
105 .i2c_exec （i2c_exec ），
106 .i2c_data （i2c_data ），
107 .i2c_rh_wl （i2c_rh_wl ）， //I2C读写控制信号
108 .i2c_done （i2c_done ），
109 .i2c_data_r （i2c_data_r ），
110
111 .cmos_h_pixel （H_CMOS_DISP ）， //CMOS水平方向像素个数
112 .cmos_v_pixel （V_CMOS_DISP ）， //CMOS垂直方向像素个数
113 .total_h_pixel （TOTAL_H_PIXEL）， //水平总像素大小
114 .total_v_pixel （TOTAL_V_PIXEL）， //垂直总像素大小
115
116 .init_done （cam_init_done）
117 ）;
118
119 //I2C驱动模块
120 i2c_dri #（
121 .SLAVE_ADDR （SLAVE_ADDR ）， //参数传递
122 .CLK_FREQ （CLK_FREQ ），
123 .I2C_FREQ （I2C_FREQ ）
124 ）
125 u_i2c_dr（
126 .clk （clk_50m ），
127 .rst_n （rst_n ），
128
129 .i2c_exec （i2c_exec ），
130 .bit_ctrl （BIT_CTRL ），
131 .i2c_rh_wl （i2c_rh_wl ）， //固定为0，只用到了IIC驱动的写操作
132 .i2c_addr （i2c_data[23:8]），
133 .i2c_data_w （i2c_data[7:0] ），
134 .i2c_data_r （i2c_data_r ），
135 .i2c_done （i2c_done ），
136 .scl （cam_scl ），
137 .sda （cam_sda ），
138 .dri_clk （i2c_dri_clk ） //I2C操作时钟
139 ）;
140
141 //CMOS图像数据采集模块
142 cmos_capture_data u_cmos_capture_data（ //系统初始化完成之后再开始采集数据
143 .rst_n （rst_n & sys_init_done），
144
145 .cam_pclk （cam_pclk ），
146 .cam_vsync （cam_vsync），
147 .cam_href （cam_href ），
148 .cam_data （cam_data ），
149
150 .cmos_frame_vsync （cmos_frame_vsync），
151 .cmos_frame_href （cmos_frame_href），
152 .cmos_frame_valid （wr_en ）， //数据有效使能信号
153 .cmos_frame_data （wr_data ） //有效数据
154 ）;
155
156 //图像处理模块
157 vip u_vip（
158 //module clock
159 .clk （cam_pclk）， // 时钟信号
160 .rst_n （rst_n ）， // 复位信号（低有效）
161 //图像处理前的数据接口
162 .pre_frame_vsync （cmos_frame_vsync ），
163 .pre_frame_hsync （cmos_frame_href ），
164 .pre_frame_de （wr_en ），
165 .pre_rgb （wr_data），
166 .xpos （pixel_xpos_w ），
167 .ypos （pixel_ypos_w ），
168 //图像处理后的数据接口
169 .post_frame_vsync （post_frame_vsync ）， // 场同步信号
170 .post_frame_hsync （）， // 行同步信号
171 .post_frame_de （post_frame_de ）， // 数据输入使能
172 .post_rgb （post_rgb） // RGB565颜色数据
173
174 ）;
175
176 //SDRAM 控制器顶层模块，封装成FIFO接口
177 //SDRAM 控制器地址组成: {bank_addr[1:0]，row_addr[12:0]，col_addr[8:0]}
178 sdram_top u_sdram_top（
179 .ref_clk （clk_100m）， //sdram 控制器参考时钟
180 .out_clk （clk_100m_shift）， //用于输出的相位偏移时钟
181 .rst_n （rst_n）， //系统复位
182
183 //用户写端口
184 .wr_clk （cam_pclk）， //写端口FIFO: 写时钟
185 .wr_en （post_frame_de）， //写端口FIFO: 写使能
186 .wr_data （post_rgb）， //写端口FIFO: 写数据
187
188 .wr_min_addr （24'd0）， //写SDRAM的起始地址
189 .wr_max_addr （V_CMOS_DISP*H_CMOS_DISP-1）， //写SDRAM的结束地址
190 .wr_len （10'd512）， //写SDRAM时的数据突发长度
191 .wr_load （~rst_n）， //写端口复位: 复位写地址，清空写FIFO
192
193 //用户读端口
194 .rd_clk （hdmi_clk）， //读端口FIFO: 读时钟
195 .rd_en （rd_en）， //读端口FIFO: 读使能
196 .rd_data （rd_data）， //读端口FIFO: 读数据
197 .rd_min_addr （24'd0）， //读SDRAM的起始地址
198 .rd_max_addr （V_CMOS_DISP*H_CMOS_DISP-1）， //读SDRAM的结束地址
199 .rd_len （10'd512）， //从SDRAM中读数据时的突发长度
200 .rd_load （~rst_n）， //读端口复位: 复位读地址，清空读FIFO
201
202 //用户控制端口
203 .sdram_read_valid （1'b1）， //SDRAM 读使能
204 .sdram_pingpang_en （1'b1）， //SDRAM 乒乓操作使能
205 .sdram_init_done （sdram_init_done）， //SDRAM 初始化完成标志
206
207 //SDRAM 芯片接口
208 .sdram_clk （sdram_clk）， //SDRAM 芯片时钟
209 .sdram_cke （sdram_cke）， //SDRAM 时钟有效
210 .sdram_cs_n （sdram_cs_n）， //SDRAM 片选
211 .sdram_ras_n （sdram_ras_n）， //SDRAM 行有效
212 .sdram_cas_n （sdram_cas_n）， //SDRAM 列有效
213 .sdram_we_n （sdram_we_n）， //SDRAM 写有效
214 .sdram_ba （sdram_ba）， //SDRAM Bank地址
215 .sdram_addr （sdram_addr）， //SDRAM 行/列地址
216 .sdram_data （sdram_data）， //SDRAM 数据
217 .sdram_dqm （sdram_dqm） //SDRAM 数据掩码
218 ）;
219
220 //例化HDMI顶层模块
221 hdmi_top u_hdmi_top（
222 .hdmi_clk （hdmi_clk ），
223 .hdmi_clk_5 （hdmi_clk_5 ），
224 .rst_n （rst_n ），
225
226 .rd_data （rd_data ），
227 .rd_en （rd_en ），
228 .h_disp （），
229 .v_disp （），
230 .pixel_xpos （pixel_xpos_w），
231 .pixel_ypos （pixel_ypos_w），
232 .video_vs （），
233 .tmds_clk_p （tmds_clk_p ），
234 .tmds_clk_n （tmds_clk_n ），
235 .tmds_data_p （tmds_data_p），
236 .tmds_data_n （tmds_data_n）
237 ）;
238
239 endmodule

复制代码

   FPGA顶层模块（ov5640_hdmi_img_binarization）例化了以下八个模块：时钟模块1（pll）、时钟模块2（pll_hdmi）、I2C驱动模块（i2c_dri）、I2C配置模块（i2c_ov5640_rgb565_cfg）、图像采集模块（cmos_capture_data）、图像处理模块（vip）、SDRAM控制模块（sdram_top）和HDMI顶层模块（hdmi_top）。
   时钟模块：时钟模块通过调用PLL IP核实现，共输出5个时钟，频率分别为100M时钟、100M偏移-75度时钟、50M时钟、71Mhz时钟和355M时钟（HDMI像素时钟的5倍频）。其中pll 产生了50M时钟、100M时钟和100M偏移-75度时钟，pll_hdmi 产生了71Mhz时钟和355M时钟，这里之所以用两个锁相环是因为HDMI所用的时钟71Mhz与SDRAM控制模块使用的100M时钟不是整数倍，使用一个锁相环不符合设计要求。100Mhz时钟作为SDRAM控制模块的驱动时钟，100M偏移-75度时钟用来输出给外部SDRAM芯片使用，50Mhz时钟作为I2C驱动模块的驱动时钟，71Mhz时钟和355M时钟（HDMI像素时钟的5倍频）负责驱动HDMI顶层模块。
   I2C驱动模块（i2c_dri）：I2C驱动模块负责驱动OV5640 SCCB接口总线，用户可根据该模块提供的用户接口可以很方便的对OV5640的寄存器进行配置，该模块和“EEPROM读写实验”章节中用到的I2C驱动模块为同一个模块，有关该模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”章节。
I2C配置模块（i2c_ov5640_rgb565_cfg）：I2C配置模块的驱动时钟是由I2C驱动模块输出的时钟提供的，这样方便了I2C驱动模块和I2C配置模块之间的数据交互。该模块寄存需要配置的寄存器地址、数据以及控制初始化的开始与结束，同时该模块输出OV5640的寄存器地址和数据以及控制I2C驱动模块开始执行的控制信号，直接连接到I2C驱动模块的用户接口，从而完成对OV5640传感器的初始化。
   图像采集模块（cmos_capture_data）：摄像头采集模块在像素时钟的驱动下将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。OV5640和OV7725图像输出时序非常相似，有关该模块的详细介绍请大家参考“OV7725摄像头LCD显示实验”章节。
   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SDRAM控制模块。
   SDRAM控制模块（sdram_top）：SDRAM读写控制器模块负责驱动SDRAM片外存储器，缓存图像传感器输出的图像数据。有关该模块的详细介绍请大家参考“SDRAM读写测试实验”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 52.4.2 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 52.4.3 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：

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 pe_frame_vsync;
26 wire pe_frame_href;
27 wire pe_frame_clken;
28 wire ycbcr_vsync;
29 wire ycbcr_hsync;
30 wire ycbcr_de;
31 wire monoc;
32
33 //*****************************************************
34 //** main code
35 //*****************************************************
36
37 assign post_rgb = {16{monoc}};
38
39 //RGB转YCbCr模块
40 rgb2ycbcr u_rgb2ycbcr（
41 //module clock
42 .clk （clk ）， // 时钟信号
43 .rst_n （rst_n ）， // 复位信号（低有效）
44 //图像处理前的数据接口
45 .pre_frame_vsync （pre_frame_vsync）， // vsync信号
46 .pre_frame_hsync （pre_frame_hsync）， // href信号
47 .pre_frame_de （pre_frame_de ）， // data enable信号
48 .img_red （pre_rgb[15:11] ），
49 .img_green （pre_rgb[10:5 ] ），
50 .img_blue （pre_rgb[ 4:0 ] ），
51 //图像处理后的数据接口
52 .post_frame_vsync（pe_frame_vsync）， // vsync信号
53 .post_frame_hsync（pe_frame_href）， // href信号
54 .post_frame_de （pe_frame_clken）， // data enable信号
55 .img_y （img_y）， //灰度数据
56 .img_cb （），
57 .img_cr （）
58 ）;
59
60 //灰度图中值滤波
61 vip_gray_median_filter u_vip_gray_median_filter（
62 .clk （clk），
63 .rst_n （rst_n），
64
65 //预处理图像数据
66 .pe_frame_vsync （pe_frame_vsync）， // vsync信号
67 .pe_frame_href （pe_frame_href）， // href信号
68 .pe_frame_clken （pe_frame_clken）， // data enable信号
69 .pe_img_y （img_y），
70
71 //处理后的图像数据
72 .pos_frame_vsync （ycbcr_vsync）， // vsync信号
73 .pos_frame_href （ycbcr_hsync）， // href信号
74 .pos_frame_clken （ycbcr_de）， // data enable信号
75 .pos_img_y （post_img_y） //中值滤波后的灰度数据
76 ）;
77
78 //二值化模块
79 binarization u_binarization（
80 .clk （clk），
81 .rst_n （rst_n），
82 //图像处理前的数据接口
83 .ycbcr_vsync （ycbcr_vsync），
84 .ycbcr_hsync （ycbcr_hsync），
85 .ycbcr_de （ycbcr_de），
86 .luminance （post_img_y），
87 //图像处理后的数据接口
88 .post_vsync （post_frame_vsync），
89 .post_hsync （post_frame_hsync），
90 .post_de （post_frame_de），
91 .monoc （monoc） //二值化后的数据
92 ）;
93
94 endmodule

复制代码

   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40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76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。

1 module 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 [7:0] 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 assign post_vsync = ycbcr_vsync_d ;
29 assign post_hsync = ycbcr_hsync_d ;
30 assign post_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

复制代码

   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。
1.5下载验证
   编译完工程之后就可以开始下载程序了。将OV5640摄像头模块插在新起点开发板的“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 52.5.1HDMI实时显示二值化图像

《新起点V2之FPGA开发指南》第五十二章基于OV5640摄像头的二值化

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