FPGA圖像處理中的最近鄰插值算法：實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍放大與縮小

在圖像處理領(lǐng)域，圖像縮放是一項(xiàng)基礎(chǔ)且重要的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于視頻處理、圖像傳輸和顯示等多個(gè)方面。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）以其高性能、靈活性和并行處理能力，成為實(shí)現(xiàn)圖像縮放算法的理想平臺(tái)。本文將深入探討FPGA上實(shí)現(xiàn)圖像最近鄰插值算法的具體方法，特別是針對(duì)整數(shù)倍放大和縮小的場景，并附上部分關(guān)鍵代碼示例。

最近鄰插值算法概述

最近鄰插值（Nearest Neighbor Interpolation）是一種簡單而高效的圖像縮放算法。該算法的基本思想是將目標(biāo)圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)映射回源圖像中，并選取距離該映射點(diǎn)最近的源圖像像素值作為目標(biāo)像素的值。由于該算法僅涉及簡單的像素值復(fù)制，因此其計(jì)算復(fù)雜度低，易于在硬件上實(shí)現(xiàn)。

FPGA實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍放大

在FPGA上實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍放大時(shí)，可以通過增加輸出像素的密度來實(shí)現(xiàn)。例如，若要將圖像放大2倍，則對(duì)于源圖像中的每個(gè)像素，在目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng)的位置將生成2x2的像素塊，且這四個(gè)像素的值均等于源圖像中該像素的值。

實(shí)現(xiàn)步驟：

確定映射關(guān)系：根據(jù)放大倍數(shù)，計(jì)算源圖像中每個(gè)像素在目標(biāo)圖像中的映射位置。

像素復(fù)制：將源圖像中每個(gè)像素的值復(fù)制到目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng)位置的所有像素點(diǎn)上。

Verilog代碼示例（放大2倍）：

verilog

module nearest_neighbor_upscale2x(  

   input clk,  

   input rst,  

   input [7:0] src_img[0:MAX_WIDTH*MAX_HEIGHT-1], // 源圖像數(shù)據(jù)  

   output reg [7:0] dst_img[0:2*MAX_WIDTH*(2*MAX_HEIGHT)-1] // 目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)  

);  

integer i, j, k;  

always @(posedge clk) begin  

   if (rst) begin  

       // 初始化目標(biāo)圖像  

       for (i = 0; i < 2*MAX_WIDTH*(2*MAX_HEIGHT); i = i + 1) begin  

           dst_img[i] <= 8'h00;  

       end  

   end else begin  

       // 放大處理  

       for (i = 0; i < MAX_HEIGHT; i = i + 1) begin  

           for (j = 0; j < MAX_WIDTH; j = j + 1) begin  

               k = 2*i*2*MAX_WIDTH + 2*j; // 計(jì)算目標(biāo)圖像中的起始位置  

               dst_img[k] <= src_img[i*MAX_WIDTH + j];  

               dst_img[k+1] <= src_img[i*MAX_WIDTH + j];  

               dst_img[k+2*MAX_WIDTH] <= src_img[i*MAX_WIDTH + j];  

               dst_img[k+2*MAX_WIDTH+1] <= src_img[i*MAX_WIDTH + j];  

           end  

       end  

   end  

end  

endmodule

FPGA實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍縮小

整數(shù)倍縮小相對(duì)復(fù)雜一些，因?yàn)樾枰獊G棄部分像素?cái)?shù)據(jù)。通常，可以通過簡單的采樣來實(shí)現(xiàn)，即每隔n個(gè)像素取一個(gè)像素值（n為縮小倍數(shù)）。

實(shí)現(xiàn)步驟：

計(jì)算采樣間隔：根據(jù)縮小倍數(shù)確定采樣間隔。

像素采樣：按照采樣間隔從源圖像中選取像素值，填充到目標(biāo)圖像中。

Verilog代碼示例（縮小2倍）：

verilog

module nearest_neighbor_downscale2x(  

   input clk,  

   input rst,  

   input [7:0] src_img[0:MAX_WIDTH*MAX_HEIGHT-1], // 源圖像數(shù)據(jù)  

   output reg [7:0] dst_img[0:MAX_WIDTH/2*(MAX_HEIGHT/2)-1] // 目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)  

);  

integer i, j, k;  

always @(posedge clk) begin  

   if (rst) begin  

       // 初始化目標(biāo)圖像  

       for (i = 0; i < MAX_WIDTH/2*(MAX_HEIGHT/2); i = i + 1) begin  

           dst_img[i] <= 8'h00;  

       end  

   end else begin  

       // 縮小處理  

       k = 0;  

       for (i = 0; i < MAX_HEIGHT; i = i + 2) begin  

           for (j = 0