FPGA图像处理——老戏新说

书接上文，趁着今天休假，采用SpinalHDL做一个小的demo，看看在SpinalHDL里如何优雅的实现Sobel边缘检测。

欢迎FPGA工程师加入官方微信技术群

点击蓝字关注我们FPGA之家-中国最好最大的FPGA纯工程师社群

Sobel边缘检测

    Sobel边缘检测原理教材网上一大堆，核心为卷积处理。

Sobel卷积因子为：

该算子包含两组3x3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。如果以A代表原始图像，Gx及Gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像灰度值，其公式如下：

图像的每一个像素的横向及纵向灰度值通过以下公式结合，来计算该点灰度的大小：

通常，为了提高效率使用不开平方的近似值：

    最后，当计算出来的值大于某一阈值时即认为为边缘像素点。

    归结起来，Sobel边缘检测分为三大步：卷积计算、灰度计算、阈值比较处理。结合上文实现的bufWindow，在SpinalHDL里实现Sobel边缘检测也就几行代码的事情(如果是写Verilog我还是拒绝的)。

卷积计算

   通过bufWindow，我们可以得到一个3x3的矩阵窗口，拿到结果第一步即是计算卷积，由于卷积因子是带符号的，而在做卷积时又需要考虑位宽扩展的事情，在写Verilog时还是需要小心的设计下的，而在SpinalHDL里，两行代码：

val Gx=(windowbuf.io.dataOut.payload(0)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(0)(0).expand.asSInt)+| ((windowbuf.io.dataOut.payload(1)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(1)(0).expand.asSInt)<<1)+| (windowbuf.io.dataOut.payload(2)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(0).expand.asSInt)val Gy=(windowbuf.io.dataOut.payload(0)(0).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(0).expand.asSInt)+| ((windowbuf.io.dataOut.payload(0)(1).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(1).expand.asSInt)<<1)+| (windowbuf.io.dataOut.payload(0)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(2).expand.asSInt)

    首先将bufWindow输出的窗口矩阵值扩展一位位宽转换为有符号值，然后进行计算卷积。计算卷积运用了两个运算符“-^”,"+|"来处理加减运算时的位宽处理(可参照SpinalHDL手册或本公众号的《SpinalHDL—数据类型：UInt/SIn》)。最终得到Gx、Gy。

灰度计算

    灰度计算这里采用近似值，通过取绝对值的方式进行实现，在SpinalHDL里也就一行代码的事情：sobelResult.payload:= (sobelConv.payload(0).abs+| sobelConv.payload(1).abs).fixTo(cfg.dataWidth-1 downto 0,RoundType.ROUNDUP)    由于在卷积计算时有扩展位宽，这里计算最后调用fixTo进行高位饱和处理。最终得到位宽与输入保持一致（想想你在Veirlog里实现这一步要做多少事情，少年😎）。

阈值比较

    阈值比较就很简单了，比较两个值大小取两个极端：when(sobelResult.payload>io.thresholdValue){ io.dataOut.payload:=(default->true) }otherwise{ io.dataOut.payload:=(default->false) }    最终实现Sobel边缘检测代码如下：case class sobelProc(cfg:lineBufferCfg) extends Component{ require(cfg.lineNum==3) val io=new Bundle{ val thresholdValue =in UInt(cfg.dataWidth bits) val dataIn=slave Flow(UInt(cfg.dataWidth bits)) val dataOut=master Flow(UInt(cfg.dataWidth bits)) dataOut.valid.setAsReg().init(False) dataOut.payload.setAsReg().init(0) } noIoPrefix() val sobel=new Area{ val windowbuf=bufWindow(cfg) val sobelConv=Reg(Flow(Vec(SInt(),2))) val sobelResult=Reg(Flow(UInt(cfg.dataWidth bits))) sobelConv.valid.init(False) sobelResult.valid.init(False) io.dataIn<>windowbuf.io.dataIn val Gx=(windowbuf.io.dataOut.payload(0)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(0)(0).expand.asSInt)+| ((windowbuf.io.dataOut.payload(1)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(1)(0).expand.asSInt)<<1)+| (windowbuf.io.dataOut.payload(2)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(0).expand.asSInt) val Gy=(windowbuf.io.dataOut.payload(0)(0).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(0).expand.asSInt)+| ((windowbuf.io.dataOut.payload(0)(1).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(1).expand.asSInt)<<1)+| (windowbuf.io.dataOut.payload(0)(2).expand.asSInt-^windowbuf.io.dataOut.payload(2)(2).expand.asSInt) sobelConv.valid:=windowbuf.io.dataOut.valid sobelConv.payload(0):=Gx sobelConv.payload(1):=Gy sobelResult.valid:=sobelConv.valid sobelResult.payload:= (sobelConv.payload(0).abs+| sobelConv.payload(1).abs).fixTo(cfg.dataWidth-1 downto 0,RoundType.ROUNDUP) io.dataOut.valid:=sobelResult.valid when(sobelResult.payload>io.thresholdValue){ io.dataOut.payload:=(default->true) }otherwise{ io.dataOut.payload:=(default->false)    } }}    区区不到四十行代码，简洁而优雅，基本上就是描述算法，出错概率应该很小吧！

仿真

    做图像处理的小伙伴想想在做仿真验证时需要怎么搞，matlab生成灰度图像二进制数据放在文件里，然后仿真时再导入，仿真完成后将结果保存到文件里，最后再在matlab里做对比。

    太麻烦。SpinalHDL提供了仿真支持，而SpinalHDL是基于Scala的，可以完美实现整个仿真验证流程：从图片直接获取数据，然后进行仿真验证，仿真结果直接再次生成图片。这里仿真在SpinalHDL里进行完成，从网上拉取一张图片：

    仿真里调用javax.imageio.ImageIO等库读取图像，转换成灰度图：

    随后将数据灌入到测试单元里，得到的数据流直接生成图片：

欢迎FPGA、嵌入式、信号处理等工程师关注公众号

全国第一大FPGA微信技术群

欢迎大家加入全国FPGA微信技术群，这个群体拥有数万工程师、一群热爱技术的工程师，这里的FPGA工程师相互帮助，相互分享，技术氛围浓厚！赶紧叫上小伙伴一起加入吧！！

用手指按住就可以加入FPGA全国技术群哦

FPGA之家元器件芯城

优势元器件服务，有需求请扫码联系群主：金娟 邮箱：293580331@qq.com 欢迎推荐给采购

ACTEL、AD部分优势订货(经营全系列)：

XILINX、ALTERA优势现货或订货(经营全系列)：

（以上器件为部分型号，更多型号请咨询群主金娟）

服务理念：FPGA之家元器件自营芯城，旨在方便工程师快速方便购买器件服务，经过数年竭诚服务，我们的客服遍布国内大型上市公司、军工科研单位、中小企业、最大的优势是强调服务至上的理念、并且做到快速交货、价格优惠！

直营品牌：Xilinx ALTERA ADI TI NXP ST E2V、镁光 等百余元器件品牌，尤其擅长欧美对华禁运器件，欢迎工程师朋友把我们推荐给采购或者亲自咨询我们！

我们将一如既往提供业内最佳服务！

FPGA技术群官方鸣谢品牌：Xilinx、 intel（Altera）、microsemi(，Actel)、LattIC e，Vantis，Quicklogic，Lucent等

注明：本内容来源网络，不用于商业使用，禁止转载，如有侵权，请来信到邮箱：429562386ⓐqq.com 或联系本站客服处理，感谢配合！