基于FPGA的RGB图像转灰度图像算法实现
一、前言
最近学习牟新刚编著《基于FPGA的数字图像处理原理及应用》的第六章直方图操作,由于需要将捕获的图像转换为灰度图像,因此在之前代码的基础上加入了RGB图像转灰度图像的算法实现。
2020-02-29 10:38:40
二、RGB图像转灰度图像算法原理
将彩色图像转换为灰度图像的方法有两种,一个是令RGB三个分量的数值相等。输出后便可以得到灰度图像,另一种是转换为YCbCr格式,将Y分量提取出来,YCbCr格式中的Y分量表示的是图
像的亮度和浓度,所以只输出Y分量,得到图像就是灰度图像。
YCbCr是通过有序的三元组来表示的,三元由Y(Luminance)、Cb(Chrominace-Blue)和Cr(Chrominace-Red)组成,其中Y表示颜色的明亮度和浓度,而Cb和Cr则分别表示颜色的蓝色浓度
偏移量和红色浓度偏移量。人的肉眼对由YCbCr色彩空间编码的视频中Y分量更敏感,而Cb和Cr的微小变换不会引起视觉上的不同。根据该原理,通过对Cb和Cr进行子采样来减小图像的数据量。使得
图像对存储需求和传输带宽的要求大大降低,从而达到完成图像压缩的同时,也保证了视觉上几乎没有损失的效果,进而使得图像的传输速度更快、存储更加方便。
官方给的RGB888转YCrCb的算法公式:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = 0.568(B-Y) + 128 = -0.172R -0.339G + 0.511B + 128
Cr = 0.713(R -Y) + 128 = 0.511R - 0.428G - 0.083B + 128
扩大256倍 →
Y = ((77*R + 150*G + 29*B)>>8)
Cb = ((-43*B - 85*G + 128*B)>>8) + 128
Cr = ((128*R - 107*G - 21*B)>>8) + 128
三、代码实现
代码分为三部分,包括视频码流生成image_src.v、视频捕获video_cap.v、彩色图像转灰度图像RGB2YCbCr.v及顶层文件rgb2gray.v;同时为了仿真及测试结果分析提供相应的matlab文件及用于
Modelsim仿真的rgb2gray.do文件。
(1)频码流生成image_src.v,生成640*512的24Bit RGB图像数据流;
/*
***********************************************************************************************************
** Input file: None
** Component name: image_src.v
** Author: zhengXiaoliang
** Company: WHUT
** Description: to simulate dvd stream
***********************************************************************************************************
*/ `timescale 1ps/1ps `define SEEK_SET
`define SEEK_CUR
`define SEEK_END module image_src(
reset_l, //全局复位
clk, //同步时钟
src_sel, //数据源通道选择
test_vsync, //场同步输出
test_dvalid, //像素有效输出
test_data, //像素数据输出
clk_out //像素时钟输出
); parameter iw = ; //默认视频宽度
parameter ih = ; //默认视频高度
parameter dw = ; //默认像素数据位宽 parameter h_total = ; //行总数
parameter v_total = ; //垂直总数 parameter sync_b = ; //场前肩
parameter sync_e = ; //场同步脉冲
parameter vld_b = ; //场后肩 //port decleared
input reset_l,clk;
input [:] src_sel; //to select the input file
output test_vsync, test_dvalid,clk_out;
output [dw-:] test_data; //variable decleared
reg [dw-:] test_data_reg;
reg test_vsync_temp;
reg test_dvalid_tmp;
reg [:] test_dvalid_r; reg [:] h_cnt;
reg [:] v_cnt; integer fp_r;
integer cnt = ; //输出像素时钟
assign clk_out = clk; //output the dv clk //输出像素数据
assign test_data = test_data_reg; //test data output //当行同步有效时,从文件读取像素数据输出到数据线上
always@(posedge clk or posedge test_vsync_temp)begin
if(((~(test_vsync_temp))) == 'b0) //场同步清零文件指针
cnt <= ; //clear file pointer when a new frame comes
else begin
if(test_dvalid_tmp == 'b1)begin //行同步有效,说明当前时钟数据有效
case(src_sel) //选择不同的数据源
'b0000: fp_r = $fopen("E:/Modelsim/rgb2gray/sim/rgb_image.txt","r");
'b0001: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr1.txt","r");
'b0010: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr2.txt","r");
'b0011: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr3.txt","r");
'b0100: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr4.txt","r");
'b0101: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr5.txt","r");
'b0110: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr6.txt","r");
'b0111: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr7.txt","r");
'b1000: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr8.txt","r");
'b1001: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr9.txt","r");
'b1010: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr10.txt","r");
'b1011: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr11.txt","r");
'b1100: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr12.txt","r");
'b1101: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr13.txt","r");
'b1110: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr14.txt","r");
'b1111: fp_r = $fopen("txt_source/test_scr15.txt","r");
default: fp_r = $fopen("txt_source/test_src3.txt","r");
endcase $fseek(fp_r,cnt,); //查找当前需要读取的文件位置
$fscanf(fp_r,"%02x\n",test_data_reg); //将数据按指定格式读入test_data_reg寄存器 cnt <= cnt + ; //移动文件指针到下一个数据
$fclose(fp_r); //关闭文件
$display("h_cnt = %d,v_cnt = %d, pixdata = %d",h_cnt,v_cnt,test_data_reg); //for debug use
end
end
end //水平计数器,每来一个时钟就+1,加到h_total置零重新计数
always@(posedge clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
h_cnt <= # {{'b0}};
else begin
if(h_cnt == ((h_total -)))
h_cnt <= # {{'b0}};
else
h_cnt <= # h_cnt + 'b00000000001;
end
end //垂直计数器:水平计数器计满后+1,计满后清零
always@(posedge clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
v_cnt <= # {{'b0}};
else begin
if(h_cnt == ((h_total - )))begin
if(v_cnt == ((v_total - )))
v_cnt <= # {{'b0}};
else
v_cnt <= # v_cnt + 'b00000000001;
end
end
end //场同步信号生成
always@(posedge clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
test_vsync_temp <= # 'b1;
else begin
if(v_cnt >= sync_b & v_cnt <= sync_e)
test_vsync_temp <= # 'b1;
else
test_vsync_temp <= # 'b0;
end
end assign test_vsync = (~test_vsync_temp); //水平同步信号生成
always@(posedge clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
test_dvalid_tmp <= # 'b0;
else begin
if(v_cnt >= vld_b & v_cnt < ((vld_b + ih)))begin
if(h_cnt == 'b0000000000)
test_dvalid_tmp <= # 'b1;
else if(h_cnt == iw)
test_dvalid_tmp <= # 'b0;
end
else
test_dvalid_tmp <= # 'b0;
end
end //水平同步信号输出
assign test_dvalid = test_dvalid_tmp; always@(posedge clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
test_dvalid_r <= # 'b00;
else
test_dvalid_r <= # ({test_dvalid_r[],test_dvalid_tmp});
end endmodule
(2)视频捕获video_cap.v,捕获RGB图像数据,并输出RGB888格式的24bit数据码流;
//2020-02-17
//Huang.Wei
`timescale 1ps/1ps module video_cap(
reset_l, //异步复位信号
DVD, //输入视频流
DVSYN, //输入场同步信号
DHSYN, //输入行同步
DVCLK, //输入DV时钟
cap_dat, //输出RGB通道像素流,24位
cap_dvalid, //输出数据有效
cap_vsync, //输出场同步
cap_clk, //本地逻辑时钟
img_en,
cmd_rdy, //命令行准备好,代表可以读取
cmd_rdat, //命令行数据输出
cmd_rdreq //命令行读取请求
); parameter TRIG_VALUE = ; //读触发值,也即行消隐时间
parameter IW = ; //图像宽度
parameter IH = ; //图像高度 parameter DW_DVD = ; //输入像素宽度
parameter DVD_CHN = ; //输入像素通道: RGB 3通道
parameter DW_LOCAL = ; //本地捕获的数据宽度24位
parameter DW_CMD = ; //命令行数据宽度
parameter VSYNC_WIDTH = ; //9 //场同步宽度,9个时钟 parameter CMD_FIFO_DEPTH = ; //行缓存位宽
parameter CMD_FIFO_DW_DEPTH = ;
parameter IMG_FIFO_DEPTH = ; //异步fifo深度,选512
parameter IMG_FIFO_DW_DEPTH = ; //Port Declared
input reset_l;
input [DW_DVD-:] DVD;
input DVSYN;
input DHSYN;
input DVCLK; output reg [DW_LOCAL-:] cap_dat;
output reg cap_dvalid;
output cap_vsync;
input cap_clk;
output img_en; output reg cmd_rdy;
output [DW_CMD-:] cmd_rdat;
input cmd_rdreq; //首先完成数据位宽转换
wire pixel_clk;
reg [:] vc_reset;
reg dv_enable;
reg [:] count_lines;
reg cmd_en;
reg cmd_wrreq;
reg cmd_wrreq_r;
reg rst_cmd_fifo;
wire [DW_CMD-:] cmd_din;
reg [DW_CMD-:] cmd_dat; assign pixel_clk = DVCLK; always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
begin
vc_reset <= 'b00;
dv_enable <= 'b0;
end
else
begin
dv_enable <= # 'b1;
if((~(DVSYN)) == 'b1 & dv_enable == 1'b1)
vc_reset <= # ({vc_reset[],'b1});
end
end reg [DW_DVD-:] vd_r[:DVD_CHN-];
reg [DVD_CHN*DW_DVD-:] data_merge; reg vsync;
reg [DVD_CHN:] hsync_r;
reg mux;
reg mux_r; //缓存场同步和行同步信号
always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
begin
vsync <= 'b0;
hsync_r <= {DVD_CHN+{'b0}};
end
else
begin
vsync <= # DVSYN;
hsync_r <= # {hsync_r[DVD_CHN-:],DHSYN};
end
end //像素通道计算,指示当前像素属于RGB那个通道
reg [DVD_CHN:] pixel_cnt; always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
begin
pixel_cnt <= {DVD_CHN+{'b1}};
end
else
begin
if(hsync_r[] == 'b0)
pixel_cnt <= # {DVD_CHN+{'b1}};
else
if(pixel_cnt == DVD_CHN -)
pixel_cnt <= # {DVD_CHN+{'b0}};
else
pixel_cnt <= # pixel_cnt + 'b1;
end
end integer i;
integer j; //缓存输入DV,获得3个RGB通道值 always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l)))=='b1)
for(i=;i<DVD_CHN;i=i+)
vd_r[i] <= {DW_DVD{'b0}};
else
begin
vd_r[] <= # DVD;
for(j=;j<DVD_CHN;j=j+)
vd_r[j] <= vd_r[j-];
end
end //RGB 合并有效信号
wire mux_valid; always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
mux <= 'b0;
else begin
if(hsync_r[DVD_CHN-] == 'b0)
mux <= # 'b1;
else
if(mux_valid == 'b1)
mux <= # 'b1;
else
mux <= # 'b0;
end
end always@(posedge pixel_clk)
mux_r <= mux; wire [DVD_CHN*DW_DVD-:] dvd_temp;
wire mux_1st; assign mux_1st = (~hsync_r[DVD_CHN]) & (hsync_r[DVD_CHN-]); //一个颜色通道
generate
if(DVD_CHN == )
begin: xhdl1
assign mux_valid = hsync_r[];
assign dvd_temp = vd_r[];
end
endgenerate //两个颜色通道
generate
if(DVD_CHN == )
begin: xhdl2
assign mux_valid = mux_1st | (pixel_cnt == DVD_CHN - );
assign dvd_temp = {vd_r[],vd_r[]};
end
endgenerate //三个颜色通道,将三路RBG数据合并到dvd_temp信号中
generate
if(DVD_CHN == )
begin: xhdl3
assign mux_valid = mux_1st | (pixel_cnt == );
assign dvd_temp = {vd_r[],vd_r[],vd_r[]};
end
endgenerate //四个颜色通道
generate
if(DVD_CHN == )
begin: xhdl4
assign mux_valid = mux_1st | (pixel_cnt == );
assign dvd_temp = {vd_r[],vd_r[],vd_r[],vd_r[]};
end
endgenerate //将合并后的数据存入寄存器
always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(((~(reset_l))) == 'b1)
data_merge <= {DVD_CHN*DW_DVD{'b0}};
else
begin
if(hsync_r[DVD_CHN] == 'b1 & mux == 1'b1)
data_merge <= # dvd_temp;
end
end //将合并后的数据打入异步fifo
wire [DW_DVD*DVD_CHN-:] fifo_din;
wire [DW_DVD*DVD_CHN-:] fifo_dout; wire [IMG_FIFO_DW_DEPTH-:] rdusedw;
reg [:] trig_cnt;
wire fifo_empty;
reg fifo_wrreq;
reg fifo_wrreq_r;
//wire fifo_wrreq; //assign fifo_wrreq = mux & hsync_r[DVD_CHN]; reg fifo_rdreq;
reg fifo_rdreq_r1;
reg rst_fifo; //实例化异步fifo
cross_clock_fifo img_fifo(
.data(fifo_din),
.rdclk(cap_clk),
.rdreq(fifo_rdreq),
.wrclk(pixel_clk),
.wrreq(fifo_wrreq),
.q(fifo_dout),
.rdempty(fifo_empty),
.rdusedw(rdusedw),
.aclr(rst_fifo)
); /*
defparam img_fifo.DW = DW_DVD*DVD_CHN;
defparam img_fifo.DEPTH = IMG_FIFO_DEPTH;
defparam img_fifo.DW_DEPTH = IMG_FIFO_DW_DEPTH;
*/ assign fifo_din = data_merge; //RGB合并时写入fifo
always@(posedge pixel_clk or negedge reset_l)begin
if(reset_l == 'b0)begin
fifo_wrreq <= # 'b0;
fifo_wrreq_r <= # 'b0;
end
else begin
fifo_wrreq <= hsync_r[DVD_CHN] & mux_r;
fifo_wrreq_r <= fifo_wrreq;
end
end //fifo中数据大于触发值时开始读,读完一行停止
always@(posedge cap_clk or negedge reset_l)begin
if(reset_l == 'b0)
fifo_rdreq <= # 'b0;
else
begin
if((rdusedw >= TRIG_VALUE) & (fifo_empty == 'b0))
fifo_rdreq <= # 'b1;
else if(trig_cnt == (IW - ))
fifo_rdreq <= # 'b0;
end
end //读计数
always@(posedge cap_clk or negedge reset_l)begin
if(reset_l == 'b0)
trig_cnt <= # {{'b0}};
else
begin
if(fifo_rdreq == 'b0)
trig_cnt <= # {{'b0}};
else
if(trig_cnt == (IW - ))
trig_cnt <= # {{'b0}};
else
trig_cnt <= # trig_cnt + 'b0000000001;
end
end wire [DW_LOCAL-:] img_din; assign img_din = ((cmd_en == 'b0)) ? fifo_dout[DW_LOCAL-1:0] : {DW_LOCAL{1'b0}}; assign cmd_din = ((cmd_en == 'b1)) ? fifo_dout[DW_CMD-1:0] : {DW_CMD{1'b0}}; //生成场同步信号、数据有效信号及像素数据输出
reg vsync_async;
reg vsync_async_r1;
reg [VSYNC_WIDTH:] vsync_async_r;
reg cap_vsync_tmp; always@(posedge cap_clk or negedge reset_l)begin
if(reset_l == 'b0)
begin
vsync_async <= # 'b0;
vsync_async_r1 <= # 'b0;
vsync_async_r <= {VSYNC_WIDTH+{'b0}};
cap_vsync_tmp <= # 'b0;
end
else
begin
vsync_async <= # (~vsync);
vsync_async_r1 <= # vsync_async;
vsync_async_r <= {vsync_async_r[VSYNC_WIDTH-:], vsync_async_r1};
if(vsync_async_r[] == 'b1 & vsync_async_r[0] == 1'b0)
cap_vsync_tmp <= # 'b1;
else if(vsync_async_r[VSYNC_WIDTH] == 'b0 & vsync_async_r[0] == 1'b0)
cap_vsync_tmp <= # 'b0;
end
end assign cap_vsync = cap_vsync_tmp; always@(posedge cap_clk or negedge reset_l)begin
if(reset_l=='b0)
begin
cap_dat <= # {DW_LOCAL{'b0}};
fifo_rdreq_r1 <= # 'b0;
cap_dvalid <= # 'b0;
cmd_dat <= # {DW_CMD{'b0}};
cmd_wrreq <= # 'b0;
cmd_wrreq_r <= # 'b0;
end
else
begin
cap_dat <= # img_din;
fifo_rdreq_r1 <= # fifo_rdreq;
cap_dvalid <= # fifo_rdreq_r1 & (~(cmd_en));
cmd_dat <= # cmd_din;
cmd_wrreq <= # fifo_rdreq_r1 & cmd_en;
cmd_wrreq_r <= cmd_wrreq;
end
end //frame count and img_en signal
reg [:] fr_cnt;
reg img_out_en; always@(posedge cap_clk)begin
if(vc_reset[] == 'b0)
begin
img_out_en <= 'b0;
fr_cnt <= {{'b0}};
end
else
begin
if(vsync_async_r1 == 'b0 & vsync_async == 1'b1)
begin
fr_cnt <= fr_cnt + 'b01;
if(fr_cnt == 'b11)
img_out_en <= 'b1;
end
end
end assign img_en = img_out_en; //行计数,确定cmd数据到来时刻
always@(posedge cap_clk)begin
if(cap_vsync_tmp == 'b1)
begin
count_lines <= {{'b0}};
cmd_en <= 'b0;
cmd_rdy <= 'b0;
end
begin
if(fifo_rdreq_r1 == 'b1 & fifo_rdreq == 1'b0)
count_lines <= # count_lines + 'h1;
if(count_lines == (IH - ))
rst_cmd_fifo <= 'b1;
else
rst_cmd_fifo <= 'b0;
if(count_lines >= IH)
cmd_en <= # 'b1;
if(cmd_wrreq_r == 'b1 & cmd_wrreq == 1'b0)
cmd_rdy <= 'b1;
if(cmd_wrreq_r == 'b1 & cmd_wrreq == 1'b0)
rst_fifo <= 'b1;
else
rst_fifo <= 'b0;
end
end //Instance a line buffer to store the cmd line
line_buffer_new
cmd_buf(
.aclr(rst_cmd_fifo),
.clock(cap_clk),
.data(cmd_dat),
.rdreq(cmd_rdreq),
.wrreq(cmd_wrreq),
.empty(),
.full(),
.q(cmd_rdat),
.usedw()
); /*
defparam cmd_buf.DW = DW_CMD;
defparam cmd_buf.DEPTH = CMD_FIFO_DEPTH;
defparam cmd_buf.DW_DEPTH = CMD_FIFO_DW_DEPTH;
defparam cmd_buf.IW = IW;
*/
endmodule
(3)彩色图像转灰度图像RGB2YCbCr.v,实现RGB888到YCbCr图像格式的转换,并输出三个通道的数据;
//==================================================================================================//
//FileName: RGB2YCrCb.v
/*
官方给的RGB888 to YCbCr的计算公式:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = 0.568(B - Y) + 128 = -0.172R - 0.339G + 0.511B + 128
Cr = 0.713(R -Y) + 128 = 0.511R - 0.428G - 0.083B + 128 => Y = ((77*R + 150*G + 29*B)>>8);
Cb = ((-43*R - 85*G + 128*B)>>8) + 128;
Cr = ((128*R - 107*G - 21*B)>>8) + 128;
*/
//Date: 2020-02-28
//==================================================================================================//
`timescale 1ps/1ps module RGB2YCrCb(
RESET, //异步复位信号 RGB_CLK, //输入像素时钟
RGB_VSYNC, //输入场同步信号
RGB_DVALID, //输入数据有信号
RGB_DAT, //输入RGB通道像素流,24位 YCbCr_CLK, //输出像素时钟
YCbCr_VSYNC, //输出场同步信号
YCbCr_DVALID, //输出数据有效信号
Y_DAT, //输出Y分量
Cb_DAT, //输出Cb分量
Cr_DAT //输出Cr分量
); parameter RGB_DW = ; //输入像素宽度
parameter YCbCr_DW = ; //输出像素宽度 //Port Declared
input RESET;
input RGB_CLK;
input RGB_VSYNC;
input RGB_DVALID;
input [RGB_DW-:]RGB_DAT; output YCbCr_CLK;
output YCbCr_VSYNC;
output YCbCr_DVALID;
output reg [YCbCr_DW-:] Y_DAT;
output reg [YCbCr_DW-:] Cb_DAT;
output reg [YCbCr_DW-:] Cr_DAT; reg [*YCbCr_DW-:] RGB_R1,RGB_R2,RGB_R3;
reg [*YCbCr_DW-:] RGB_G1,RGB_G2,RGB_G3;
reg [*YCbCr_DW-:] RGB_B1,RGB_B2,RGB_B3; reg [*YCbCr_DW-:] IMG_Y,IMG_Cb,IMG_Cr; reg [:] VSYNC_R;
reg [:] DVALID_R; //Step1: Consume 1Clk
always@(posedge RGB_CLK or negedge RESET)begin
if(!RESET)begin
RGB_R1 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_R2 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_R3 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_G1 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_G2 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_G3 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_B1 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_B2 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
RGB_B3 <= {*YCbCr_DW{'b0}};
end
else begin
RGB_R1 <= RGB_DAT[:] * 'd77;
RGB_G1 <= RGB_DAT[:] * 'd150;
RGB_B1 <= RGB_DAT[:] * 'd29;
RGB_R2 <= RGB_DAT[:] * 'd43;
RGB_G2 <= RGB_DAT[:] * 'd85;
RGB_B2 <= RGB_DAT[:] * 'd128;
RGB_R3 <= RGB_DAT[:] * 'd128;
RGB_G3 <= RGB_DAT[:] * 'd107;
RGB_B3 <= RGB_DAT[:] * 'd21;
end
end //Step2: Consume 1Clk
always@(posedge RGB_CLK or negedge RESET)begin
if(!RESET)begin
IMG_Y <= {*YCbCr_DW{'b0}};
IMG_Cr <= {*YCbCr_DW{'b0}};
IMG_Cb <= {*YCbCr_DW{'b0}};
end
else begin
IMG_Y <= RGB_R1 + RGB_G1 + RGB_B1;
IMG_Cb <= RGB_B2 - RGB_R2 - RGB_G2 + 'd32768;
IMG_Cr <= RGB_R3 - RGB_G3 - RGB_B3 + 'd32768;
end
end //Step3: Consume 1Clk
always@(posedge RGB_CLK or negedge RESET)begin
if(!RESET)begin
Y_DAT <= {YCbCr_DW{'b0}};
Cb_DAT <= {YCbCr_DW{'b0}};
Cr_DAT <= {YCbCr_DW{'b0}};
end
else begin
Y_DAT <= IMG_Y[:];
Cr_DAT <= IMG_Cr[:];
Cb_DAT <= IMG_Cb[:];
end
end assign YCbCr_CLK = RGB_CLK; always@(posedge RGB_CLK or negedge RESET)begin
if(!RESET)begin
VSYNC_R <= 'd0;
DVALID_R <= 'd0;
end
else begin
VSYNC_R <= {VSYNC_R[:],RGB_VSYNC};
DVALID_R <= {DVALID_R[:],RGB_DVALID};
end
end assign YCbCr_DVALID = DVALID_R[];
assign YCbCr_VSYNC = VSYNC_R[]; endmodule
(4)顶层文件 rgb2gray.v;
//===============================================================================================//
//FileName: rgb2gray.v
//Date:2020-02-28
//===============================================================================================// `timescale 1ps/1ps module rgb2gray(
RSTn, //全局复位
CLOCK, //系统时钟 IMG_CLK, //像素时钟
IMG_DVD, //像素值
IMG_DVSYN, //输入场信号
IMG_DHSYN, //输入数据有效信号 GRAY_CLK, //输出灰度图像时钟
GRAY_VSYNC, //输出灰度图像场信号
GRAY_DVALID, //输出灰度图像数据有效信号
Y_DAT, //输出图像数据Y分量
Cb_DAT, //输出图像数据Cb分量
Cr_DAT //输出图像数据Cr分量 );
/*image parameter*/
parameter iw = ; //image width
parameter ih = ; //image height
parameter trig_value = ; // /*data width*/
parameter dvd_dw = ; //image source data width
parameter dvd_chn = ; //channel of the dvd data: when 3 it's rgb or 4:4:YCbCr
parameter local_dw = dvd_dw * dvd_chn; //local algorithem process data width
parameter cmd_dw = dvd_dw * dvd_chn; //local algorithem process data width //Port Declared
input RSTn;
input CLOCK;
input IMG_CLK;
input [dvd_dw-:] IMG_DVD;
input IMG_DVSYN;
input IMG_DHSYN; output GRAY_CLK;
output GRAY_VSYNC;
output GRAY_DVALID;
output [dvd_dw-:] Y_DAT;
output [dvd_dw-:] Cb_DAT;
output [dvd_dw-:] Cr_DAT; //Variable Declared
wire [local_dw-:] RGB_DAT;
wire RGB_DVALID;
wire RGB_VSYNC; video_cap u1(
.reset_l(RSTn), //异步复位信号
.DVD(IMG_DVD), //输入视频流
.DVSYN(IMG_DVSYN), //输入场同步信号
.DHSYN(IMG_DHSYN), //输入行同步
.DVCLK(IMG_CLK), //输入DV时钟
.cap_dat(RGB_DAT), //输出RGB通道像素流,24位
.cap_dvalid(RGB_DVALID), //输出数据有效
.cap_vsync(RGB_VSYNC), //输出场同步
.cap_clk(CLOCK), //本地逻辑时钟
.img_en(),
.cmd_rdy(), //命令行准备好,代表可以读取
.cmd_rdat(), //命令行数据输出
.cmd_rdreq() //命令行读取请求
); defparam u1.DW_DVD = dvd_dw;
defparam u1.DW_LOCAL = local_dw;
defparam u1.DW_CMD = cmd_dw;
defparam u1.DVD_CHN = dvd_chn;
defparam u1.TRIG_VALUE = trig_value;
defparam u1.IW = iw;
defparam u1.IH = ih; RGB2YCrCb u2(
.RESET(RSTn), //异步复位信号 .RGB_CLK(CLOCK), //输入像素时钟
.RGB_VSYNC(RGB_VSYNC), //输入场同步信号
.RGB_DVALID(RGB_DVALID), //输入数据有信号
.RGB_DAT(RGB_DAT), //输入RGB通道像素流,24位 .YCbCr_CLK(GRAY_CLK), //输出像素时钟
.YCbCr_VSYNC(GRAY_VSYNC), //输出场同步信号
.YCbCr_DVALID(GRAY_DVALID), //输出数据有效信号
.Y_DAT(Y_DAT), //输出Y分量
.Cb_DAT(Cb_DAT), //输出Cb分量
.Cr_DAT(Cr_DAT) //输出Cr分量
); defparam u2.RGB_DW = local_dw;
defparam u2.YCbCr_DW = dvd_dw; endmodule
(5)Maltab文件用显示仿真结果;
clc;
clear; %% 数据获取
RGBImg = imread('lena_512x512.jpg'); %rgb原始图像
RGBImg = imresize(RGBImg,[ ]); GRAYImg = rgb2gray(RGBImg); %Matlab变换灰度图像 fid = fopen('gray_image_Y.txt','r'); %FPGA转换灰度图像
data = fscanf(fid,'%2x');
data = uint8(data);
gray_data = reshape(data,,);
gray_data = gray_data'; %% 画图显示
figure();
subplot(,,);
imshow(RGBImg);
title('lena原始图像'); subplot(,,);
imshow(GRAYImg);
title('Matlab变换灰度图像'); subplot(,,);
imshow(gray_data);
title('FPGA变换灰度图像');
(6)用于Modelsim测试的Testbench文件rgb2gray_tb.v;
`timescale 1ps/1ps module rgb2gray_tb; /*image para*/
parameter iw = ; //image width
parameter ih = ; //image height
parameter trig_value = ; // /*video parameter*/
parameter h_total = ;
parameter v_total = ;
parameter sync_b = ;
parameter sync_e = ;
parameter vld_b = ; parameter clk_freq = ; /*data width*/
parameter dvd_dw = ; //image source data width
parameter dvd_chn = ; //channel of the dvd data: when 3 it's rgb or 4:4:YCbCr
parameter local_dw = dvd_dw * dvd_chn; //local algorithem process data width
parameter cmd_dw = dvd_dw * dvd_chn; //local algorithem process data width /*test module enable*/
parameter cap_en = ; /*signal group*/
reg clk = 'b0;
reg reset_l;
reg [:] src_sel; /*input dv group*/
wire dv_clk;
wire dvsyn;
wire dhsyn;
wire [dvd_dw-:] dvd; /*dvd source data generated for simulation*/
image_src //#(iw*dvd_chn, ih+1, dvd_dw, h_total, v_total, sync_b, sync_e, vld_b)
u1(
.clk(clk),
.reset_l(reset_l),
.src_sel(src_sel),
.test_data(dvd),
.test_dvalid(dhsyn),
.test_vsync(dvsyn),
.clk_out(dv_clk)
); defparam u1.iw = iw*dvd_chn;
defparam u1.ih = ih + ;
defparam u1.dw = dvd_dw;
defparam u1.h_total = h_total;
defparam u1.v_total = v_total;
defparam u1.sync_b = sync_b;
defparam u1.sync_e = sync_e;
defparam u1.vld_b = vld_b; /*local clk: also clk of all local modules*/
reg cap_clk = 'b0; /*output data*/
wire GRAY_CLK;
wire GRAY_VSYNC;
wire GRAY_DVALID;
wire [dvd_dw-:] Y_DAT;
wire [dvd_dw-:] Cb_DAT;
wire [dvd_dw-:] Cr_DAT; /*video capture: capture image src and transfer it into local timing*/ rgb2gray u2(
.RSTn(reset_l),
.CLOCK(cap_clk), .IMG_CLK(dv_clk),
.IMG_DVD(dvd),
.IMG_DVSYN(dvsyn),
.IMG_DHSYN(dhsyn), .GRAY_CLK(GRAY_CLK),
.GRAY_VSYNC(GRAY_VSYNC),
.GRAY_DVALID(GRAY_DVALID),
.Y_DAT(Y_DAT),
.Cb_DAT(Cb_DAT),
.Cr_DAT(Cr_DAT)
); initial
begin: init
reset_l <= 'b1;
src_sel <= 'b0000;
#(); //reset the system
reset_l <= 'b0;
#();
reset_l <= 'b1;
end //dv_clk generate
always@(reset_l or clk)begin
if((~(reset_l)) == 'b1)
clk <= 'b0;
else
begin
if(clk_freq == ) //48MHz
clk <= # (~(clk)); else if(clk_freq == 51.84) //51.84MHz
clk <= # (~(clk)); else if(clk_freq == ) //72MHz
clk <= # (~(clk));
end
end //cap_clk generate: 25MHz
always@(reset_l or cap_clk)begin
if((~(reset_l)) == 'b1)
cap_clk <= 'b0;
else
cap_clk <= # (~(cap_clk));
end generate
if(cap_en != ) begin :capture_operation
integer fid1, fid2, fid3, cnt_cap=; always@(posedge GRAY_CLK or posedge GRAY_VSYNC)begin
if(((~(GRAY_VSYNC))) == 'b0)
cnt_cap = ;
else
begin
if(GRAY_DVALID == 'b1)
begin
//Y
fid1 = $fopen("E:/Modelsim/rgb2gray/sim/gray_image_Y.txt","r+");
$fseek(fid1,cnt_cap,);
$fdisplay(fid1,"%02x\n",Y_DAT);
$fclose(fid1); //Cb
fid2 = $fopen("E:/Modelsim/rgb2gray/sim/gray_image_Cb.txt","r+");
$fseek(fid2,cnt_cap,);
$fdisplay(fid2,"%02x\n",Cb_DAT);
$fclose(fid2); //Cr
fid3 = $fopen("E:/Modelsim/rgb2gray/sim/gray_image_Cr.txt","r+");
$fseek(fid3,cnt_cap,);
$fdisplay(fid3,"%02x\n",Cr_DAT);
$fclose(fid3); cnt_cap<=cnt_cap+;
end
end
end
end
endgenerate endmodule
(7) 用于Modelsim仿真的.do文件rgb2gray.do。
#切换至工程目录
cd E:/Modelsim/rgb2gray/sim #打开工程
project open E:/Modelsim/rgb2gray/sim/rgb2gray #添加指定设计文件
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/cross_clock_fifo.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/image_src.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/line_buffer_new.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/rgb2gray.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/RGB2YCbCr.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/src/video_cap.v
project addfile E:/Modelsim/rgb2gray/sim/rgb2gray_tb.v #编译工程内所有文件
project compileall #仿真work库下面的rgb2gray_tb实例,同时调用altera_lib库,不进行任何优化
vsim -t 1ps -novopt -L altera_lib work.rgb2gray_tb #添加输入信号
add wave -divider RGBImg
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/dv_clk
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/dvsyn
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/dhsyn
add wave -radix hex -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/dvd #添加输出信号
add wave -divider GRAYImg
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/GRAY_CLK
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/GRAY_VSYNC
add wave -radix binary -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/GRAY_DVALID
add wave -radix hex -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/Y_DAT
add wave -radix hex -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/Cb_DAT
add wave -radix hex -position insertpoint sim:/rgb2gray_tb/Cr_DAT #复位
restart #取消警告
set StdArithNoWarnings #开始
run 17ms
四、仿真结果
如下图所示,整个转换消耗3个时钟,因此相应的行/场信号延迟3个时钟,保持时钟的同步性。
如下图所示,将FPGA运算处理结果与Matlab自带rgb2gray函数处理结果对比如下。
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