Altera系列FPGA纯verilog视频图像去雾，基于暗通道先验算法实现，提供4套Quartus工程源码和技术支持

目录

• 1、前言
• • 工程概述
  • 免责声明
• 2、相关方案推荐
• • 我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目
  • Altera系列FPGA相关方案推荐
  • 本博主已有的图像处理方案
• 3、设计思路框架
• • 工程设计原理框图
  • 输入Sensor之-->OV7725摄像头
  • 输入Sensor之-->OV5640摄像头
  • 输入Sensor之-->串口传图输入
  • 图像缓存架构
  • 暗通道先验算法介绍
  • 图像去雾模块性能介绍
  • 图像去雾模块详解
  • HDMI输出架构
  • LCD输出架构
  • 工程源码架构
• 4、Quartus工程源码1详解：OV7725输入-HDMI输出版本
• 5、Quartus工程源码2详解：OV5640输入-HDMI输出版本
• 6、Quartus工程源码3详解：串口传图输入-LCD输出版本
• 7、Quartus工程源码4详解：串口传图输入-HDMI输出版本
• 8、上板调试验证并演示
• • 准备工作
  • Altera系列FPGA视频图像去雾效果演示
• 9、福利：工程源码获取

Altera系列FPGA纯verilog视频图像去雾，基于暗通道先验算法实现，提供4套Quartus工程源码和技术支持

1、前言

Altera系列FPGA现状：

Altera系列FPGA目前处于逐步退出市场状态，市场占有率很低、使用便捷性很低、开发生态很不完善，之前还可以凭借价格低廉在低端产品上使用，但如今国产FPGA的崛起让Altera唯一的优势也荡然无存；所以本博主奉劝还在学Altera系列FPGA的同学赶紧悬崖略吗回头是岸，别再浪费宝贵的时间了，未来的FPGA市场，高端市场非Xilinx莫属，中低端市场非国产FPGA莫属；

工程概述

本文使用Altera的Cyclone-IV系列FPGA做基础的图像视频采集系统；视频输入源有多种，一种是传统摄像头，包括OV7725、OV5640和AR0135，另一种是用串口发送有雾图片到FPGA作为输入源；如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认不使用动态彩条；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，然后采集摄像头视频；然后视频送入图像缓存架构实现视频2帧缓存功能，本设计使用SDRAM作为缓存介质；然后Native视频时序控制图像缓存架构从SDRAM中读取视频，并做Native视频时序同步，输出RGB888视频；然后视频送入纯verilog代码实现的图像去雾模块实现实时图像去雾；然后去雾视频送入RGB转HDMI实现HDMI输出功能；最后视频通过板载HDMI或者LCD输出接口送显示器显示即可；针对市场主流需求，本设计提供4套Quartus工程源码，具体如下：

现对上述3套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Cyclone-IV-EP4CE10F17C8；输入视频为OV7725摄像头或者动态彩条，默认使用OV7725；FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置，分辨率配置为640x480@60Hz；然后采集输入视频，将输入的两个时钟传输一个RGB565像素的视频采集为一个时钟传输一个RGB888像素的视频；然后视频送入图像缓存架构实现视频2帧缓存功能，本设计使用SDRAM作为缓存介质；然后Native视频时序控制图像缓存架构从SDRAM中读取视频，并做Native视频时序同步，输出RGB888视频，输出分辨率为640x480@60Hz；然后视频送入纯verilog代码实现的图像去雾模块实现实时图像去雾；然后去雾视频送入RGB转HDMI实现HDMI输出功能；最后视频通过板载HDMI输出接口送显示器显示即可；该工程适用Altera系列FPGA实现视频图像去雾系统应用；

工程源码2

开发板FPGA型号为Cyclone-IV-EP4CE10F17C8；输入视频为OV5640摄像头或者动态彩条，默认使用OV5640；FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置，分辨率配置为1280x720@30Hz；然后采集输入视频，将输入的两个时钟传输一个RGB565像素的视频采集为一个时钟传输一个RGB888像素的视频；然后视频送入图像缓存架构实现视频2帧缓存功能，本设计使用SDRAM作为缓存介质；然后Native视频时序控制图像缓存架构从SDRAM中读取视频，并做Native视频时序同步，输出RGB888视频，输出分辨率为1280x720@60Hz；然后视频送入纯verilog代码实现的图像去雾模块实现实时图像去雾；然后去雾视频送入RGB转HDMI实现HDMI输出功能；最后视频通过板载HDMI输出接口送显示器显示即可；该工程适用Altera系列FPGA实现视频图像去雾系统应用；

工程源码3

开发板FPGA型号为Cyclone-IV-EP4CE10F17C8；输入视频为串口发送来的有雾图片，使用串口上位机发送bmp格式图片到FPGA，图片分辨率为800x480，串口波特率设置为1562500；FPGA接收图片数据后送入图像缓存架构实现视频2帧缓存功能，本设计使用SDRAM作为缓存介质；然后Native视频时序控制图像缓存架构从SDRAM中读取视频，并做Native视频时序同步，输出RGB565视频，输出分辨率为800x480@60Hz；然后视频送入纯verilog代码实现的图像去雾模块实现实时图像去雾；最后去雾图片通过板载LCD输出接口送显示器显示即可；该工程适用Altera系列FPGA实现视频图像去雾系统应用；

工程源码4

开发板FPGA型号为Cyclone-IV-EP4CE10F17C8；输入视频为串口发送来的图片，使用串口上位机发送bmp格式图片到FPGA，图片分辨率为800x480，串口波特率设置为1562500；FPGA接收图片数据后送入图像缓存架构实现视频2帧缓存功能，本设计使用SDRAM作为缓存介质；然后Native视频时序控制图像缓存架构从SDRAM中读取视频，并做Native视频时序同步，输出RGB888视频，输出分辨率为800x480@60Hz；然后视频送入纯verilog代码实现的图像去雾模块实现实时图像去雾；然后去雾视频送入RGB转HDMI实现HDMI输出功能；最后视频通过板载HDMI输出接口送显示器显示即可；该工程适用Altera系列FPGA实现视频图像去雾系统应用；

本博客描述了Altera系列FPGA实现图像视频采集系统的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；

提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；

工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
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Altera系列FPGA相关方案推荐

我专门开设了一个Altera系列FPGA专栏，里面收录了基于Altera系列FPGA的图像处理、UDP网络通信、GT高速接口、PCIE等博客，感兴趣的可以去看看，博客地址：
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本博主已有的图像处理方案

目前我这里已有的图像处理方案有很多，包括图像缩放、图像拼接、图像旋转、图像识别跟踪、图像去雾等等，所有工程均在自己的板子上跑通验证过，保证代码的可靠性，对图像处理感兴趣或有项目需求的兄弟可以参考我的图像处理专栏，里面包含了上述工程源码的详细设计方案和验证视频演示：
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3、设计思路框架

工程设计原理框图

工程设计原理框图如下：

输入Sensor之-->OV7725摄像头

输入Sensor是本工程的输入设备，其一为OV7725摄像头，此外本博主在工程中还设计了动态彩条模块，彩条由FPGA内部逻辑产生，且是动态移动的，完全可模拟Sensor，输入源选择Sensor还是彩条，通过Sensor模块的顶层参数配置，默认选择Sensor输入；Sensor模块如下：

SENSOR_TYPE=0；则输出OV7725摄像头采集的视频；

SENSOR_TYPE=1；则输出动态彩条的视频；

OV7725摄像头需要i2c初始化配置，本设计配置为640x480@60Hz分辨率，本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能；此外，OV7725摄像头还需要图像采集模块实现两个时钟输出一个RGB565的视频转换为一个时钟输出一个RGB888视频，本设计提供纯verilog代码实现的图像采集模块实现配置功能；动态彩条则由FPGA内部逻辑实现，由纯verilog代码编写；将OV7725摄像头配置采集和动态彩条进行代码封装，形成helai_OVsensor.v的顶层模块，整个模块代码架构如下：

输入Sensor之-->OV5640摄像头

输入Sensor是本工程的输入设备，其一为OV5640摄像头，此外本博主在工程中还设计了动态彩条模块，彩条由FPGA内部逻辑产生，且是动态移动的，完全可模拟Sensor，输入源选择Sensor还是彩条，通过Sensor模块的顶层参数配置，默认选择Sensor输入；Sensor模块如下：

SENSOR_TYPE=0；则输出OV5640摄像头采集的视频；

SENSOR_TYPE=1；则输出动态彩条的视频；

OV5640摄像头需要i2c初始化配置，本设计配置为1280x720@30Hz分辨率，本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能；此外，OV5640摄像头还需要图像采集模块实现两个时钟输出一个RGB565的视频转换为一个时钟输出一个RGB888视频，本设计提供纯verilog代码实现的图像采集模块实现配置功能；动态彩条则由FPGA内部逻辑实现，由纯verilog代码编写；将OV5640摄像头配置采集和动态彩条进行代码封装，形成helai_OVsensor.v的顶层模块，整个模块代码架构如下：

输入Sensor之-->串口传图输入

输入Sensor是本工程的输入设备，其三为串口传图作为输入；输入视频为串口发送来的图片，使用串口上位机发送bmp格式图片到FPGA，图片分辨率为800x480，串口波特率设置为1562500；串口传图架构如下：

串口传图模块代码架构如下：

串口传图上位机已放在资料包中，如下：

串口传图上位机使用方法如下：

图像缓存架构

图像缓存架构实现的功能是将输入视频缓存到板载SDRAM中再读出送后续模块，目的是实现视频同步输出，实现输入视频到输出视频的跨时钟域问题，更好的呈现显示效果，其中SDRAM控制器用纯verilog代码实现，所以图像缓存架构就是实现用户数据到SDRAM的桥接作用；架构如下：

图像缓存架构由视频缓存帧更新模块+写视频控制逻辑+读视频控制逻辑+SDRAM控制器模块组成；SDRAM控制器实现了SDRAM初始化、读写时序控制、读写流程控制等功能，写视频控制逻辑、读视频控制逻辑实际上就是一个视频读写状态机，以写视频为例，假设一帧图像的大小为M×N，其中M代表图像宽度，N代表图像高度；写视频控制逻辑每次写入一次突发传输的视频数据，记作Y，即每次向SDRAM中写入Y个像素，写M×N÷Y次即可完成1帧图像的缓存，读视频与之一样；同时调用两个FIFO实现输入输出视频的跨时钟域处理，使得用户可以忽略SDRAM复杂的控制时序，以简单地像使用FIFO那样操作SDRAM，从而达到读写SDRAM的目的，进而实现视频缓存；本设计图像缓存方式为2帧缓存；图像缓存模块代码架构如下：

暗通道先验算法介绍

暗通道先验算法介绍可以百度一下或者csdn或者知乎搜一下看看，专业的讲解我不擅长，我只擅长用fpga实现算法，专业讲原理的大佬比我讲得好，这里可以推荐一篇阅读量很大的文章：
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图像去雾模块性能介绍

优点1：纯verilog代码实现，无任何IP，可在xilinx、altera、国产紫光同创、国产高云、国产易灵思、国产安路等FPGA平台间自由移植；

优点2：算法加速，利用了FPGA并行计算的特点，采用纯verilog代码实现；

优点3：提供了多达23套工程源码，针对不同型号FPGA和输入设备、输入接口做到了广泛的适应性；

优点4：设计精简，消耗FPGA逻辑资源很小，以工程源码1为例，图像去雾模块所占逻辑资源如下：

缺点1：算法还不够完美，去雾效果也不完美，还需持续优化；

缺点2：用于验证、学习、课题研究等可以，做实际产品还不理想；

缺点3：对输入的图像要求稍微有点高，那种色差太过严重的去雾效果不好，我测试的这个视频作为输入源去雾效果是可以的的，兄弟们可以把这个视频作为输入源：
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图像去雾模块详解

图像去雾模块设计架构如下：

图像去雾模块代码架构如下：

图像去雾模块顶层接口如下：

module defogging_top (
	input		  pixelclk     ,	//像素时钟
	input         reset_n      ,	//低电平复位
	input  [23:0] i_rgb        ,	//原始图像像素数据
	input		  i_hsync      ,	//原始图像行同步
	input		  i_vsync      ,	//原始图像场同步
	input		  i_de         ,	//原始图像数据有效
	input [7:0]   i_thre       ,	//大气光阈值,初始值为8'd26,数值越小,去雾效果越好
	output [23:0] o_defog_rgb  ,	//去雾图像像素数据
	output		  o_defog_hsync,	//去雾图像行同步
	output		  o_defog_vsync,	//去雾图像场同步    
	output		  o_defog_de    	//去雾图像数据有效          
);

图像去雾模块由纯verilog代码实现，采用暗通道先验算法理论，由3个模块顺序执行，3个模块内部并行执行，实现了FPGA加速算法的目的，分别由求RGB最小值模块、求折射率模块、图像去雾组成；

求RGB最小值的目的是实时的比较求出每个像素点RGB分量的最小值，也就是暗通道，该模块顶层接口如下：

求折射率的目的是输出暗通道最大值和折射率，该模块顶层接口如下：

该模块有个i_thre输入接口，该接口为阈值，初始值为26，数值越小,去雾效果越好，vivado工程中通过VIO动态控制；

图像去雾的目的是输出暗通道最大值和折射率，该模块顶层接口如下：

HDMI输出架构

HDMI输出包括Native视频时序和HDMI编码，Native视频时序的作用是产生传统VGA的、RGB的视频流；HDMI编码采用RTL逻辑编码方式；HDMI输出代码架构如下：

LCD输出架构

使用Native视频时序产生LCD输出的时序，本设计使用5寸TFT-CLD屏幕；CLD输出代码架构如下：

工程源码架构

以工程2为例，工程源码架构如下，其他工程与之类似：

4、Quartus工程源码1详解：OV7725输入-HDMI输出版本

开发板FPGA型号：Altera--Cyclone-IV系列-EP4CE10F17C8；

开发环境：Quartus 18.1；

输入：OV7725摄像头或FPGA内部动态彩条，分辨率640x480@60Hz；

输出：HDMI，RTL逻辑编码，分辨率640x480@60Hz；

图像处理：纯Verilog代码实现的实时图像去雾；

图像去雾算法：暗通道先验算法；

图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，2帧缓存；

工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；

工程作用：此工程目的是让读者掌握Altera系列FPGA实现视频图像去雾的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程的资源消耗和功耗如下：

5、Quartus工程源码2详解：OV5640输入-HDMI输出版本

开发板FPGA型号：Altera--Cyclone-IV系列-EP4CE10F17C8；

开发环境：Quartus 18.1；

输入：OV5640摄像头或FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；

输出：HDMI，RTL逻辑编码，分辨率1280x720@60Hz；

图像处理：纯Verilog代码实现的实时图像去雾；

图像去雾算法：暗通道先验算法；

图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，2帧缓存；

工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；

工程作用：此工程目的是让读者掌握Altera系列FPGA实现视频图像去雾的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程的资源消耗和功耗如下：

6、Quartus工程源码3详解：串口传图输入-LCD输出版本

开发板FPGA型号：Altera--Cyclone-IV系列-EP4CE10F17C8；

开发环境：Quartus 18.1；

输入：串口传图，图片分辨率800x480；

输出：5寸LCD屏，分辨率800x480@60Hz；

图像处理：纯Verilog代码实现的实时图像去雾；

图像去雾算法：暗通道先验算法；

图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，2帧缓存；

工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；

工程作用：此工程目的是让读者掌握Altera系列FPGA实现视频图像去雾的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程的资源消耗和功耗如下：

7、Quartus工程源码4详解：串口传图输入-HDMI输出版本

开发板FPGA型号：Altera--Cyclone-IV系列-EP4CE10F17C8；

开发环境：Quartus 18.1；

输入：串口传图，图片分辨率800x480；

输出：HDMI，RTL逻辑编码，分辨率800x480@60Hz；

图像处理：纯Verilog代码实现的实时图像去雾；

图像去雾算法：暗通道先验算法；

图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，2帧缓存；

工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；

工程作用：此工程目的是让读者掌握Altera系列FPGA实现视频图像去雾的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程的资源消耗和功耗如下：

8、上板调试验证并演示

准备工作

你需要有以下装备才能移植并测试该工程代码：

1：FPGA开发板；

2：OV7725或OV5640摄像头或笔记本电脑，没有则请使用FPGA内部生成的彩条；

3：HDMI传输线；

4：HDMI显示，要求分辨率支持1920x1080；

Altera系列FPGA视频图像去雾效果演示

Altera系列FPGA视频图像去雾效果演示如下：

Altera-去雾

9、福利：工程源码获取

福利：工程代码的获取

代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，

资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：