基于FPGA的圖像裁剪電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文提出了一種基于FPGA的圖像裁剪電路的設(shè)計(jì)方法，利用像素的抽取改變圖像的分辨率，從而達(dá)到圖像裁剪的效果。與傳統(tǒng)的方法相比，這種方法簡(jiǎn)單易行，開(kāi)發(fā)成本低，圖像的清晰度能滿足一定的要求。此方法數(shù)據(jù)處理速度快，尤其適用于動(dòng)態(tài)圖像的處理。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列：圖像裁剪；分辨率

0 概述
    圖像處理電路是信息控制系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，如住宅小區(qū)的安全監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)線的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、電視機(jī)的機(jī)頂盒等，因此圖像的處理電路的開(kāi)發(fā)受到了人們的重視。裁剪壓縮是圖像處理技術(shù)中一個(gè)重要的內(nèi)容，傳統(tǒng)的方法往往采用DSP芯片或插值算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的裁剪壓縮功能，這種方法存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)成本高的問(wèn)題。本文提出了一種基于FPGA的設(shè)計(jì)方法，利用像素的抽取改變圖像的分辨率，從而達(dá)到圖像裁剪的效果。這種設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，圖像的清晰度能滿足一定的要求。特別是由于不需要數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以此方法數(shù)據(jù)處理速度快，尤其適用于一般要求的動(dòng)態(tài)圖像的處理。

1 電路設(shè)計(jì)方案
    本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于FPGA的數(shù)字圖像的裁剪電路，電路框圖如圖1所示。其中FPGA中包含了三個(gè)功能模塊電路的設(shè)計(jì)：

    (1)SDRAM的控制模塊：預(yù)處理的圖像存在SDRAM存儲(chǔ)器中，通過(guò)SDRAM的控制模塊，將圖像信息讀出并進(jìn)行相應(yīng)的處理，提供給下一個(gè)電路模塊使用。
    (2)圖像裁剪電路：包括像素的抽取和緩存電路，采用改變圖像分辨率的方法，將有效的像素提取出來(lái)提供給顯示電路，使圖像進(jìn)行4：3或2：3等多比例變化，以達(dá)到不同的視覺(jué)效果。
    (3)顯示控制電路：根據(jù)VGA顯示屏的特點(diǎn)，產(chǎn)生時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制圖像數(shù)據(jù)顯示。[!--empirenews.page--]

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1 SDRAM控制模塊的設(shè)計(jì)
    預(yù)處理的圖像需要放在存儲(chǔ)器中，對(duì)于大部分的FPGA來(lái)說(shuō)器件內(nèi)部都含有4k的內(nèi)存，但考慮到圖像的容量及今后對(duì)動(dòng)態(tài)圖像處理功能的擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選用了存儲(chǔ)容量為8M外存的SDRAM。8M的SDRAM在存儲(chǔ)空間上劃分了4個(gè)BANK區(qū)塊，每個(gè)BANK有16位數(shù)據(jù)寬。SDRAM雖然存儲(chǔ)的容量大，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)該器件的讀寫(xiě)使用必須設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的控制器進(jìn)行控制操作。由于本設(shè)計(jì)采用的圖像色彩為30位，RGB各10位，顯然用一個(gè)16位寬度BANK不能存儲(chǔ)一個(gè)像素，因此采用了2個(gè)BANK合并存儲(chǔ)像素，如圖2。這樣一來(lái)，在SDRAM控制電路上需要仿真成四個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)端口(兩個(gè)寫(xiě)端口+兩個(gè)讀端口)，在同一時(shí)刻將一個(gè)像素RGB從兩個(gè)BANK中同時(shí)寫(xiě)入或讀出，合并之后形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)。

    根據(jù)這樣的存取原則，一個(gè)具有640×480個(gè)像素、色彩為30位的圖像，就需要同時(shí)BANKl和BANK2中存入640×480個(gè)16位的信息，SDRAM控制模塊讀入數(shù)據(jù)的端口程序如下所示，讀出數(shù)據(jù)同理。
    SDRAM_Control_4PortSDRAM0(
    ．WRl_DATA({R[9：0]，G[9：5]})，
    ．WRl(E N)，
    ．WRl_ADDR(0)，----BANKl的地址
    ．WRl_MAX_ADDR(640*480)，
    ．WRl_LENGTH(9'h100)，
    ．WRl_LOAD(RST_0)，
    ．WR1_CLK(P1X_CLK)，
    ．WR2_DATA({G[4：0]，B[9：0]})，
    ．WR2(E N)，
    ．WR2_MAX_ADDR(22'h100000+640*480)，
    ．WR2_LENGTH(9'hl00)，
    ．WR2_LOAD(RST_0)，
    ．WR2_CLK(PIX_CLK)；
2．2 圖像裁剪模塊
    在圖像的裁剪處理上，有兩種方案可選，第一種為線性插值算法。這是一種廣泛使用的圖像插值算法，通常使用8鄰域采樣加權(quán)產(chǎn)生新像素：

        第二種為抽取算法，即通過(guò)變換分辨率的方法實(shí)現(xiàn)，例如將原來(lái)的640×480的分辨率變換為320×240或120×60的分辨率，這樣圖像的寬高比近似為4：3或16：8。比較兩種算法，第二種算法通過(guò)直接丟棄部分原始數(shù)據(jù)達(dá)到分辨率的壓縮，雖然有圖像信息損失，但在圖像顯示滿足要求的前提下，這種電路的實(shí)現(xiàn)更加便捷、方便，因此本設(shè)計(jì)采用了第二種算法。
2．2．1 像素的抽取
    根據(jù)VGA的顯示原理，儲(chǔ)存在SDRAM中的640×480個(gè)像素，受顯示控制電路中行同步信號(hào)的控制，每個(gè)行周期讀出640個(gè)像素，并同步顯示。采用抽取法實(shí)現(xiàn)分辨率的壓縮，必須丟棄行和列的部分像素。以變換320×240分辨率為例，具體的設(shè)計(jì)方法是，將分辨率為640×480的原圖像每隔一行進(jìn)行行標(biāo)記，在標(biāo)記的行里，每隔1個(gè)像素進(jìn)行列標(biāo)記，最后將行列都被標(biāo)記過(guò)的像素取出，提供給顯示控制電路。
    由于SDRAM存儲(chǔ)器本身具有逐行讀取、讀取顯示同步的特點(diǎn)，為了達(dá)到對(duì)行像素的隔行提取，本設(shè)計(jì)采用快讀慢顯的方式。例如原640× 480的分辨率采用25MHz的頻率作為SDRAM數(shù)據(jù)讀取頻率和VGA的像素顯示頻率，現(xiàn)在采用50MHz作為SDRAM數(shù)據(jù)讀取頻率，VGA的像素顯示頻率仍然采用25MHz，即讀取兩行，保存一行并顯示。在提取的行像素里每隔1個(gè)像素對(duì)列像素進(jìn)行提取，則得到所需要的行列像素。[!--empirenews.page--]
2．2．2 雙端口RAM控制模塊
    VGA顯示器要求行像素讀取和顯示同步，由于抽取出來(lái)的行列像素在時(shí)序上是不連續(xù)的，電路必須加存儲(chǔ)器對(duì)提取的像素進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)緩存模塊可以選用任何存儲(chǔ)單元，根據(jù)像素存取的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用了雙端口的RAM對(duì)有效像素進(jìn)行乒乓操作。雙端口RAM乒乓操作的原理如圖3所示。

 
    在第N個(gè)周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩存模塊1”，與此同時(shí)，“數(shù)據(jù)緩存模塊2”中緩存的數(shù)據(jù)通過(guò)“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”的選擇，送到顯示電路。在第N+1個(gè)周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩存模塊2”，與此同時(shí)，“數(shù)據(jù)緩存模塊l”中緩存的數(shù)據(jù)通過(guò)“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”的切換，送到顯示電路。乒乓操作的最大特點(diǎn)是：通過(guò)“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”按節(jié)拍相互配合切換，將經(jīng)過(guò)緩存的數(shù)據(jù)流沒(méi)有時(shí)間停頓地傳送到輸出端，因此非常適合對(duì)時(shí)序不連續(xù)的像素進(jìn)行流水線式處理。
    根據(jù)雙口RAM乒乓操作的原理，被抽取出來(lái)的像素，一行被緩存的同時(shí)，另一行則被順序地讀取出來(lái)，保證了像素顯示的連續(xù)與同步。雙端口RAM的輸入輸出信號(hào)的端口程序如下：
    WIRE [29：0] DATA a，DATA b；
    WIRE I_a=I；
    WIRE I_b=～I(xiàn)；
    WIRE[9：0]COIANTER a=(I)?ADDRESSl：COUNlER；
    WIRE[9：0]COUNTER b=(!I)?ADDRESSl：COUNTER；
    RAM U2(
    ．DATA a (INDATA)，
    ．WREN a (I a)，
    ．ADDRESS a(COUNTER a)，
    ．CLOCK A(CLK)，
    ．Q a(DATA a)，
    ．DATA b (INDATA)，
    ．WREN b(I_b)，
    ．ADDRESS b(COUNTER b，
    ．CLOCK B (CLK)，
    ．Q_b(DATA_b))；
2．3 VGA顯示控制模塊
    顯示控制器主要用于輸出VGA顯示器所需要的RGB數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，根據(jù)輸入時(shí)鐘，顯示控制器可以產(chǎn)生VGA所需要的控制信號(hào)，包括場(chǎng)同步、行同步和復(fù)合消隱信號(hào)等。輸出像素則與輸入像素相同。圖4為VGA的控制模塊的仿真波形。

3 電路調(diào)試結(jié)果與分析
    圖5是分辨率為640×480的原圖像，圖6是分辨率為320×240，比例為4：3的圖像。從處理后的圖像效果可以看出，圖像清晰，信息量豐富，能夠滿足圖像的一般要求。

4 結(jié)論
    本論文提出了一種基于FPGA的圖像裁剪電路的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變圖像的分辨率達(dá)到壓縮圖像的效果。這種設(shè)計(jì)方法不僅具備了FPGA開(kāi)發(fā)電路所具有的開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)效率高、擴(kuò)展性和升級(jí)性良好、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，而且與通常所用的插值算法相比，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，從測(cè)試的效果來(lái)看，圖像清晰，能夠滿足一般圖像的要求。