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：
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};
end
else
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
总结
再见