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1.1均值濾波算法介紹

首先要做的是最簡(jiǎn)單的均值濾波算法。均值濾波是典型的線性濾波算法，它是指在圖像上對(duì)目標(biāo)像素給一個(gè)模板，該模板包括了其周?chē)呐R近像素（以目標(biāo)象素為中心的周?chē)?個(gè)像素，構(gòu)成一個(gè)濾波模板，即去掉目標(biāo)像素本身），再用模板中的全體像素的平均值來(lái)代替原來(lái)像素值。

P11	P12	P13
P21		P23
P31	P32	P33

中值濾波算法可以形象的用上述表格來(lái)描述，即對(duì)于每個(gè)3*3的陣列而言，中間像素的值，等于邊緣8個(gè)像素的平均值。算法的理論很簡(jiǎn)單，對(duì)于C處理器而言，一幅640*480圖像的均值濾波，可以很方便的通過(guò)數(shù)組獲得3*3的陣列，但對(duì)于我們的Verilog HDL而言，著實(shí)不易。

1.23*3像素陣列的HDL實(shí)現(xiàn)

3*3陣列的獲取，大概有以下三種方式：

（1）通過(guò)2個(gè)或3個(gè)RAM的存儲(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)3*3像素陣列；

（2）通過(guò)2個(gè)或3個(gè)FIFO的存儲(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)3*3像素陣列；

（3）通過(guò)2行或3行Shift_RAM的移位存儲(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)3*3像素陣列。

不過(guò)經(jīng)驗(yàn)告訴大家，最方便的實(shí)現(xiàn)方式，非Shift_RAM莫屬了，都感覺(jué)Shift_RAM甚至是為實(shí)現(xiàn)3*3陣列而生的！

在Quartus II中，可以利用下圖方式產(chǎn)生，很方便：

首先介紹一下Shift_RAM，宏定義模塊如下圖所示：

圖6?1 QuartusII Shift_RAM IP使用界面

Shift_RAM可定義數(shù)據(jù)寬度、移位的行數(shù)、每行的深度。這里我們固然需要8Bit，640個(gè)數(shù)據(jù)每行，同時(shí)移位寄存2行即可（原因看后邊）。同時(shí)選擇時(shí)鐘使能端口clken。詳細(xì)的關(guān)于Shift_RAM的手冊(cè)參數(shù)，可在宏定義窗口右上角Document中查看，如下：

手冊(cè)給出了一個(gè)非常形象的移位寄存示意圖，如下所示：

圖6?2移位寄存示意圖

實(shí)現(xiàn)3*3像素陣列的大概的思路是這樣子的，Shift_RAM中存2行數(shù)據(jù)，同時(shí)與當(dāng)前輸入行的數(shù)據(jù)，組成3行的陣列。

在Vivado中就沒(méi)有類(lèi)似的IP，但是難不倒我，可以利用成熟的IP核實(shí)現(xiàn)類(lèi)似上訴的移位寄存器。

在《Image?06_OV5640_DDR3_Gray_Mean_FilterOV5640_DEMOuserlinebuffer_Wapper》

中實(shí)現(xiàn)的就是移位寄存器功能的IP，使用方法類(lèi)似上訴QuartusII中的使用。

例化方式如下：

代碼6?1

1.//---------------------------------------
2.//moduleofshiftramforrawdata
3.wireshift_clk_en=per_frame_clken;
4.
5.linebuffer_Wapper#
6.(
7..no_of_lines(2),
8..samples_per_line(640),
9..data_width(8)
10.)
11.linebuffer_Wapper_m0(
12..ce(1'b1),
13..wr_clk(clk),
14..wr_en(shift_clk_en),
15..wr_rst(rst_n),
16..data_in(row3_data),
17..rd_en(shift_clk_en),
18..rd_clk(clk),
19..rd_rst(rst_n),
20..data_out({row2_data,row1_data})
21.);

源碼VIP_Matrix_Generate_3X3_8Bit文件中實(shí)現(xiàn)8Bit寬度的3*3像素陣列功能。具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）首先，將輸入的信號(hào)用像素使能時(shí)鐘同步一拍，以保證數(shù)據(jù)與Shift_RAM輸出的數(shù)據(jù)保持同步，如下：

代碼6?2

1.//Generate3*3matrix
2.//--------------------------------------------------------------------------
3.//--------------------------------------------------------------------------
4.//--------------------------------------------------------------------------
5.//syncrow3_datawithper_frame_clken&row1_data&raw2_data
6.wire[7:0]row1_data;//framedataofthe1throw
7.wire[7:0]row2_data;//framedataofthe2throw
8.reg[7:0]row3_data;//framedataofthe3throw
9.always@(posedgeclkornegedgerst_n)
10.begin
11.if(!rst_n)
12.row3_data<=?0;??
13.else
14.begin
15.if(per_frame_clken)
16.row3_data<=?per_img_Y;??
17.else
18.row3_data<=?row3_data;??
19.end
20.end

（2）接著，例化并輸入row3_data，此時(shí)可從Modelsim中觀察到3行數(shù)據(jù)同時(shí)存在了，HDL如下：

代碼6?3 QuartusII例化移位寄存器代碼

1.//---------------------------------------
2.//moduleofshiftramforrawdata
3.wireshift_clk_en=per_frame_clken;
4.Line_Shift_RAM_8Bit
5.#(
6..RAM_Length(IMG_HDISP)
7.)
8.u_Line_Shift_RAM_8Bit
9.(
10..clock(clk),
11..clken(shift_clk_en),//pixelenableclock
12.//.aclr(1'b0),
13..shiftin(row3_data),//Currentdatainput
14..taps0x(row2_data),//Lastrowdata
15..taps1x(row1_data),//Uparowdata
16..shiftout()
17.);

代碼6?4 Vivado例化移位寄存器代碼

22.//---------------------------------------
23.//moduleofshiftramforrawdata
24.wireshift_clk_en=per_frame_clken;
25.
26.linebuffer_Wapper#
27.(
28..no_of_lines(2),
29..samples_per_line(640),
30..data_width(8)
31.)
32.linebuffer_Wapper_m0(
33..ce(1'b1),
34..wr_clk(clk),
35..wr_en(shift_clk_en),
36..wr_rst(rst_n),
37..data_in(row3_data),
38..rd_en(shift_clk_en),
39..rd_clk(clk),
40..rd_rst(rst_n),
41..data_out({row2_data,row1_data})
42.);

在經(jīng)過(guò)Shift_RAMd移位存儲(chǔ)后，我們得到的row0_data，row1_data，row2_data的仿真示意圖如下所示：

圖6?3ModelSim仿真截圖

數(shù)據(jù)從row3_data輸入，滿3行后剛好唯一3行陣列的第一。從圖像第三行輸入開(kāi)始，到圖像的最后一行，我們均可從row_data得到完整的3行數(shù)據(jù)，基為實(shí)現(xiàn)3*3陣列奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)這樣做有2個(gè)不足之處，即第一行與第二行不能得到完整的3*3陣列。但從主到次，且不管算法的完美型，我們先驗(yàn)證3X3模板實(shí)現(xiàn)的正確性。因此直接在行有效期間讀取3*3陣列，機(jī)器方便快捷的實(shí)現(xiàn)了我們的目的。

（3）Row_data讀取信號(hào)的分析及生成

這里涉及到了一個(gè)問(wèn)題，數(shù)據(jù)從Shift_RAM存儲(chǔ)耗費(fèi)了一個(gè)時(shí)鐘，因此3*3陣列的讀取使能與時(shí)鐘，需要進(jìn)行一個(gè)clock的偏移，如下所示：

代碼6?5

1.//------------------------------------------
2.//lag2clockssignalsync
3.reg[1:0]per_frame_vsync_r;
4.reg[1:0]per_frame_href_r;
5.reg[1:0]per_frame_clken_r;
6.always@(posedgeclkornegedgerst_n)
7.begin
8.if(!rst_n)
9.begin
10.per_frame_vsync_r<=?0;??
11.per_frame_href_r<=?0;??
12.per_frame_clken_r<=?0;??
13.end
14.else
15.begin
16.per_frame_vsync_r<=???{per_frame_vsync_r[0],??per_frame_vsync};??
17.per_frame_href_r<=???{per_frame_href_r[0],???per_frame_href};??
18.per_frame_clken_r<=???{per_frame_clken_r[0],??per_frame_clken};??
19.end
20.end
21.//Giveupthe1thand2throwedgedatacaculateforsimpleprocess
22.//Giveupthe1thand2thpointof1lineforsimpleprocess
23.wireread_frame_href=per_frame_href_r[0];//RAMreadhrefsyncsignal
24.wireread_frame_clken=per_frame_clken_r[0];//RAMreadenable
25.assignmatrix_frame_vsync=per_frame_vsync_r[1];
26.assignmatrix_frame_href=per_frame_href_r[1];
27.assignmatrix_frame_clken=per_frame_clken_r[1];

（4）Okay，此時(shí)根據(jù)read_frame_href與read_frame_clken信號(hào)，直接讀取3*3像素陣列。讀取的HDL實(shí)現(xiàn)如下：

代碼6?6

1. //----------------------------------------------------------------------------
2. //----------------------------------------------------------------------------
3. /******************************************************************************
4. ----------ConvertMatrix----------
5. [P31->P32->P33->]--->[P11P12P13]
6. [P21->P22->P23->]--->[P21P22P23]
7. [P11->P12->P11->]--->[P31P32P33]
8. ******************************************************************************/
9. //---------------------------------------------------------------------------
10. //---------------------------------------------------
11. /***********************************************
12. (1)ReaddatafromShift_RAM
13. (2)CaculatetheSobel
14. (3)SteadydataafterSobelgenerate
15. ************************************************/
16. //wire[23:0]matrix_row1={matrix_p11,matrix_p12,matrix_p13};//Justfortest
17. //wire[23:0]matrix_row2={matrix_p21,matrix_p22,matrix_p23};
18. //wire[23:0]matrix_row3={matrix_p31,matrix_p32,matrix_p33};
19. always@(posedgeclkornegedgerst_n)
20. begin
21. if(!rst_n)
22. begin
23. {matrix_p11,matrix_p12,matrix_p13}<=?24'h0;??
24. {matrix_p21,matrix_p22,matrix_p23}<=?24'h0;??
25. {matrix_p31,matrix_p32,matrix_p33}<=?24'h0;??
26. end
27. elseif(read_frame_href)
28. begin
29. if(read_frame_clken)//Shift_RAMdatareadclockenable
30. begin
31. {matrix_p11,matrix_p12,matrix_p13}<=?{matrix_p12,?matrix_p13,?row1_data};?//1th?shift?input??
32. {matrix_p21,matrix_p22,matrix_p23}<=?{matrix_p22,?matrix_p23,?row2_data};?//2th?shift?input??
33. {matrix_p31,matrix_p32,matrix_p33}<=?{matrix_p32,?matrix_p33,?row3_data};?//3th?shift?input??
34. end
35. else
36. begin
37. {matrix_p11,matrix_p12,matrix_p13}<=?{matrix_p11,?matrix_p12,?matrix_p13};??
38. {matrix_p21,matrix_p22,matrix_p23}<=?{matrix_p21,?matrix_p22,?matrix_p23};??
39. {matrix_p31,matrix_p32,matrix_p33}<=?{matrix_p31,?matrix_p32,?matrix_p33};??
40. end
41. end
42. else
43. begin
44. {matrix_p11,matrix_p12,matrix_p13}<=?24'h0;??
45. {matrix_p21,matrix_p22,matrix_p23}<=?24'h0;??
46. {matrix_p31,matrix_p32,matrix_p33}<=?24'h0;??
47. end
48. end

最后得到的matrix_p11、p12、p13、p21、p22、p23、p31、p32、p33即為得到的3*3像素陣列，仿真時(shí)序圖如下所示：

前面Shift_RAM存儲(chǔ)耗費(fèi)了一個(gè)時(shí)鐘，同時(shí)3*3陣列的生成耗費(fèi)了一個(gè)時(shí)鐘，因此我們需要人為的將行場(chǎng)信號(hào)、像素使能讀取信號(hào)移動(dòng)2個(gè)時(shí)鐘，如下所示：

assign matrix_frame_vsync =per_frame_vsync_r[1];

assign matrix_frame_href =per_frame_href_r[1];

assign matrix_frame_clken =per_frame_clken_r[1];

至此我們得到了完整的3*3像素陣列的模塊，同時(shí)行場(chǎng)、使能時(shí)鐘信號(hào)與時(shí)序保持一致，Modelsim仿真圖如下所示：

1.3Mean_Filter均值濾波算法的實(shí)現(xiàn)

不過(guò)相對(duì)于3*3像素陣列的生成而言，均值濾波的算法實(shí)現(xiàn)反而難度小的多，只是技巧性的問(wèn)題。

繼續(xù)分析上面這個(gè)表格。其實(shí)HDL完全有這個(gè)能力直接計(jì)算8個(gè)值相加的均值，不過(guò)為了提升電路的速度，建議我們需要通過(guò)以面積換速度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。So這里需要3個(gè)步驟：

（1）分別計(jì)算3行中相關(guān)像素的和；

（2）計(jì)算（1）中三個(gè)結(jié)果的和；

在（2）運(yùn)算后，我們不能急著用除法去實(shí)現(xiàn)均值的運(yùn)算。記住，能用移位替換的，絕對(duì)不用乘除法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里8個(gè)像素，即除以8，可以方便的用右移動(dòng)3Bit來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)這里更方便的辦法是，直接提取mean_value4[10:3]。

這一步我們不單獨(dú)作為一個(gè)Step，而是直接作為結(jié)果輸出。分析前面的運(yùn)算，總共耗費(fèi)了2個(gè)時(shí)鐘，因此需要將行場(chǎng)信號(hào)、像素讀取信號(hào)偏移2個(gè)時(shí)鐘，同時(shí)像素時(shí)鐘，根據(jù)行信號(hào)使能，直接讀取mean_value4[10:3]，如下所示：

這樣，我們便得到了運(yùn)算后的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了均值濾波算法。

最后，在Video_Image_Processor頂層文件中例化Gray_Mean_Filter算法模塊，完成算法的添加。

最后直接將生成的post_img_Y輸入給24Bit的DDR控制器即可。

審核編輯：劉清

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