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

javascript 复制代码
`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

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