灰度图像均值滤波算法的HDL实现介绍

1.1  均值滤波算法介绍

首先要做的是最简单的均值滤波算法。均值滤波是典型的线性滤波算法，它是指在图像上对目标像素给一个模板，该模板包括了其周围的临近像素（以目标象素为中心的周围 8 个像素，构成一个滤波模板，即去掉目标像素本身），再用模板中的全体像素的平均值来代替原来像素值。

P11	P12	P13
P21		P23
P31	P32	P33

中值滤波算法可以形象的用上述表格来描述，即对于每个 3*3 的阵列而言，中间像素的值，等于边缘 8 个像素的平均值。 算法的理论很简单，对于 C 处理器而言，一幅640*480图像的均值滤波， 可以很方便的通过数组获得 3*3 的阵列，但对于我们的 Verilog HDL 而言，着实不易。

1.2 3*3 像素阵列的 HDL 实现

3*3 阵列的获取，大概有以下三种方式：

（1） 通过 2 个或 3 个 RAM 的存储，来实现 3*3 像素阵列；

（2） 通过 2 个或 3 个 FIFO 的存储，来实现 3*3 像素阵列；

（ 3） 通过 2 行或 3 行 Shift_RAM 的移位存储，来实现 3*3 像素阵列。

不过经验告诉大家，最方便的实现方式，非 Shift_RAM 莫属了，都感觉 Shift_RAM 甚至是为实现 3*3 阵列而生的！

在Quartus II中，可以利用下图方式产生，很方便：

首先介绍一下 Shift_RAM， 宏定义模块如下图所示：

图6‑1 QuartusII Shift_RAM IP使用界面

Shift_RAM 可定义数据宽度、 移位的行数、 每行的深度。 这里我们固然需要8Bit，640 个数据每行，同时移位寄存 2 行即可（ 原因看后边）。 同时选择时钟使能端口clken。 详细的关于 Shift_RAM 的手册参数，可在宏定义窗口右上角Document 中查看，如下：

手册给出了一个非常形象的移位寄存示意图，如下所示：

图6‑2移位寄存示意图

实现3*3像素阵列的大概的思路是这样子的， Shift_RAM 中存 2 行数据，同时与当前输入行的数据，组成3 行的阵列。

在Vivado中就没有类似的IP，但是难不倒我，可以利用成熟的IP核实现类似上诉的移位寄存器。

在《Image�06_OV5640_DDR3_Gray_Mean_FilterOV5640_DEMOuserlinebuffer_Wapper》

中实现的就是移位寄存器功能的IP，使用方法类似上诉QuartusII中的使用。

例化方式如下：

代码6‑1

1.  //---------------------------------------   2.  //module of shift ram for raw data   3.  wire    shift_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.   );

源码VIP_Matrix_Generate_3X3_8Bit 文件中实现 8Bit 宽度的 3*3 像素阵列功能。 具体的实现步骤如下：

（1） 首先，将输入的信号用像素使能时钟同步一拍，以保证数据与Shift_RAM 输出的数据保持同步，如下：

代码6‑2

1.  //Generate 3*3 matrix    2.  //--------------------------------------------------------------------------   3.  //--------------------------------------------------------------------------   4.  //--------------------------------------------------------------------------   5.  //sync row3_data with per_frame_clken & row1_data & raw2_data   6.  wire    [7:0]   row1_data;  //frame data of the 1th row   7.  wire    [7:0]   row2_data;  //frame data of the 2th row   8.  reg     [7:0]   row3_data;  //frame data of the 3th row   9.  always@(posedge clk or negedge rst_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） 接着，例化并输入 row3_data，此时可从 Modelsim 中观察到 3 行数据同时存在了， HDL 如下：

代码6‑3 QuartusII例化移位寄存器代码

1.  //---------------------------------------   2.  //module of shift ram for raw data   3.  wire shift_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), //pixel enable clock   12.// .aclr (1'b0),   13..shiftin (row3_data), //Current data input   14..taps0x (row2_data), //Last row data   15..taps1x (row1_data), //Up a row data   16..shiftout ()   17.);

代码6‑4 Vivado例化移位寄存器代码

22.//---------------------------------------   23.//module of shift ram for raw data   24.wire    shift_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.   );

在经过 Shift_RAMd 移位存储后，我们得到的 row0_data， row1_data，row2_data的仿真示意图如下所示：

图6‑3 ModelSim仿真截图

数据从 row3_data 输入， 满 3 行后刚好唯一 3 行阵列的第一。 从图像第三行输入开始，到图像的最后一行，我们均可从 row_data 得到完整的 3 行数据， 基为实现3*3阵列奠定了基础。 不过这样做有2个不足之处， 即第一行与第二行不能得到完整的 3*3 阵列。 但从主到次，且不管算法的完美型，我们先验证 3X3模板实现的正确性。 因此直接在行有效期间读取 3*3 阵列，机器方便快捷的实现了我们的目的。

（3） Row_data 读取信号的分析及生成

这里涉及到了一个问题，数据从Shift_RAM存储耗费了一个时钟，因此3*3阵列的读取使能与时钟，需要进行一个 clock 的偏移，如下所示：

代码6‑5

1.  //------------------------------------------   2.  //lag 2 clocks signal sync     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@(posedge clk or negedge rst_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.//Give up the 1th and 2th row edge data caculate for simple process   22.//Give up the 1th and 2th point of 1 line for simple process   23.wire    read_frame_href     =   per_frame_href_r[0];    //RAM read href sync signal   24.wire    read_frame_clken    =   per_frame_clken_r[0];   //RAM read enable   25.assign  matrix_frame_vsync  =   per_frame_vsync_r[1];   26.assign  matrix_frame_href   =   per_frame_href_r[1];   27.assign  matrix_frame_clken  =   per_frame_clken_r[1];

（ 4） Okay， 此时根据 read_frame_href 与 read_frame_clken 信号，直接读取3*3像素阵列。读取的 HDL 实现如下：

代码6‑6

1.        //----------------------------------------------------------------------------   2.        //----------------------------------------------------------------------------   3.        /******************************************************************************  4.                            ----------  Convert Matrix  ----------  5.                        [ P31 -> P32 -> P33 -> ]   ---> [ P11 P12 P13 ]   6.                        [ P21 -> P22 -> P23 -> ]   ---> [ P21 P22 P23 ]  7.                        [ P11 -> P12 -> P11 -> ]   ---> [ P31 P32 P33 ]  8.        ******************************************************************************/   9.        //---------------------------------------------------------------------------   10.      //---------------------------------------------------   11.      /***********************************************  12.          (1) Read data from Shift_RAM  13.          (2) Caculate the Sobel  14.          (3) Steady data after Sobel generate  15.      ************************************************/   16.      //wire  [23:0]  matrix_row1 = {matrix_p11, matrix_p12, matrix_p13}; //Just for test   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@(posedge clk or negedge rst_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.          else if(read_frame_href)   28.              begin   29.              if(read_frame_clken)    //Shift_RAM data read clock enable   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 即为得到的 3*3 像素阵列，仿真时序图如下所示：

前面Shift_RAM存储耗费了一个时钟，同时 3*3 阵列的生成耗费了一个时钟，因此我们需要人为的将行场信号、像素使能读取信号移动 2 个时钟，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];

至此我们得到了完整的 3*3 像素阵列的模块，同时行场、使能时钟信号与时序保持一致，Modelsim 仿真图如下所示：

1.3 Mean_Filter 均值滤波算法的实现

不过相对于 3*3 像素阵列的生成而言，均值滤波的算法实现反而难度小的多，只是技巧性的问题。

继续分析上面这个表格。其实 HDL 完全有这个能力直接计算 8 个值相加的均值，不过为了提升威廉希尔官方网站 的速度，建议我们需要通过以面积换速度的方式来实现。 So 这里需要 3 个步骤：

（1） 分别计算 3 行中相关像素的和；

（2） 计算（1） 中三个结果的和；

在（2） 运算后，我们不能急着用除法去实现均值的运算。记住，能用移位替换的，绝对不用乘除法来实现。这里 8 个像素， 即除以 8， 可以方便的用右移动 3Bit 来实现。不过这里更方便的办法是，直接提取 mean_value4[10:3]。

这一步我们不单独作为一个 Step， 而是直接作为结果输出。分析前面的运算，总共耗费了 2 个时钟， 因此需要将行场信号、像素读取信号偏移 2 个时钟，同时像素时钟，根据行信号使能，直接读取 mean_value4[10:3]，如下所示：

这样，我们便得到了运算后的时序，实现了均值滤波算法。

最后，在 Video_Image_Processor 顶层文件中例化Gray_Mean_Filter算法模块，完成算法的添加。

最后直接将生成的 post_img_Y 输入给 24Bit 的 DDR 控制器即可。

审核编辑：刘清