FPGA verilog HDL實現(xiàn)中值濾波

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今天給大俠簡單帶來FPGA verilog HDL實現(xiàn)中值濾波，話不多說，上貨。

一、實現(xiàn)步驟:

1、查看了中值濾波實現(xiàn)相關(guān)的網(wǎng)站和paper；

2、按照某篇paper的設(shè)計思想進行編程實現(xiàn)；

3、對各個模塊進行語法檢查、波形仿真、時序設(shè)計、調(diào)試驗證；

4、與matlab的中值濾波結(jié)果進行比較。

二、實現(xiàn)過程：

1、查看了中值濾波實現(xiàn)相關(guān)的網(wǎng)站和paper；

在網(wǎng)上看了很多中值濾波的設(shè)計，也有一些代碼可以下載，也有一片講解的，只是感覺講解的比較模糊而且不完整，最后看了幾篇碩士論文，論文竟然主要做了中值濾波的工作，發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計思路，然后就按照自己的想法進行設(shè)計。

2、按照某篇paper的設(shè)計思想進行編程實現(xiàn)；

整個中值濾波模塊分為幾個小的模塊：3*3窗口生成模塊、計數(shù)器控制模塊、3*3中值濾波模塊、頂層模塊以及最后的測試模塊testbench的編寫。整個框架的設(shè)計如下圖所示(使用visio畫的框架圖)：

各個模塊的設(shè)計：1）ROM IP核的生成，用于存儲原始灰度圖像的數(shù)據(jù)。

使用matlab生成.coe圖像數(shù)據(jù)文件，然后使用Xilinx ISE工具將.coe文件添加到ROM核進行數(shù)據(jù)初始化，按步驟得到ROM模塊，參考生成的.v文件在頂層模塊直接調(diào)用即可。

rom_512by512 rom_512by512_inst (   .clka(CLK),          //input clka;   .addra(rom_addr),   //input-from    .douta(rom_data)     //output-to  );

注意ROM的存儲空間的大??；

2）3*3窗口生成模塊，用于生成濾波的滑動窗口，得到窗口內(nèi)的所有元素數(shù)據(jù)。

功能：

(1)根據(jù)中心像素點得到所在其所在的行、列位置；

(2)根據(jù)該模塊的開始信號設(shè)計得到獲取數(shù)據(jù)的有效時間序列；

(3)在讀取數(shù)據(jù)的有效時序內(nèi)，得到窗口內(nèi)的所有元素數(shù)據(jù)；

(4)窗口數(shù)據(jù)的獲取按照一定的時序順序來獲得，類似于黑金推薦的“仿順序操作”，這個比較適合my style；不過后來發(fā)現(xiàn)調(diào)試的過程中被項目組的硬件人員改動了一些，甚至說不好，感覺可能是本人還沒有理解掌握吃透“仿順序操作”的精髓吧。

(5)根據(jù)中心像素點的行、列位置信息得到每個窗口元素的ROM地址，根據(jù)某一時刻ROM地址，下一時刻調(diào)用ROM模塊得到對應(yīng)的元素數(shù)據(jù)，下一時刻將數(shù)據(jù)鎖存，然后再讀取該地址的數(shù)據(jù)；所以要注意地址和數(shù)據(jù)的獲取不是在同一時刻，而是需要延遲兩個時刻；

(6)還需要注意的是圖像的邊界問題的特殊化處理；一般圖像處理都會遇到邊界問題，這個需要謹慎；

(7)對matlab的中值濾波函數(shù)medfilt2原理的深入掌握對我們編寫這一模塊非常重要。matlab并沒有主要過程的代碼，看注釋默認情況下邊界元素設(shè)置為0，這也可以通過結(jié)果反推回去發(fā)現(xiàn)的。

3)計數(shù)器控制模塊，主要用于獲得中心像素點的地址信息。

(1)系統(tǒng)模塊開始信號之后開始獲取第一個中心像素點，注意初始化信號值和系統(tǒng)開始的信號值的區(qū)別；

(2)該時刻得到的的數(shù)據(jù)將在下一個時刻產(chǎn)生結(jié)果，該時刻的數(shù)據(jù)并沒有改變；

(3)注意中心像素點的行、列位置信息的計算；

4) 3*3中值濾波模塊

功能：得到某一中心像素點的3*3滑窗區(qū)域的灰度值的中值，作為中心像素點的值；

中值濾波原理，網(wǎng)上有很多，大家可以查看一下。

本項目采用的是快速中值濾波的方法。

(1)若是3*3窗口生成模塊完成之后就計算下一個中心像素點，需要將該中心像素點的窗口元素鎖存起來，以防計算過程中將這些元素掩蓋，不能正確進行中值濾波的計算；

(2)需要在時序的有效區(qū)域內(nèi)進行計算，怎么設(shè)計信號的有效性；

(3)仿順序操作可以分開進行；每一個時刻只進行一個操作，這樣可能更明了(代碼中沒有這樣做)；

(4)verilog編程調(diào)用函數(shù)的方法，指出輸入信號，函數(shù)內(nèi)可以使用其他定義聲明的信號，最后的輸出信號作為調(diào)用函數(shù)的結(jié)果(突然想起來，如果輸出信號有多個元素呢，又該怎么辦呢？大家可以想想)；

該模塊的代碼：

5)頂層模塊

用于將低層的各個功能/控制模塊銜接起來，得到結(jié)果；注意輸入輸出信號，以及不同模塊之間是如何進行連線的。信號的名稱盡量有其特別的意義，不要重復(fù)使用同一個信號名稱，容易造成混亂；

區(qū)別wire和reg類型數(shù)據(jù)的使用情況；

6)測試模塊

如何將數(shù)據(jù)寫入文件，需要定義文件的名稱和類型；

integer fouti;

需要在初始化部分打開文件：

fouti = $fopen("medfilter2_re.txt");

代碼如下：

整體的代碼就是這樣的。

3、對各個模塊進行語法檢查、波形仿真、時序設(shè)計、調(diào)試驗證；

本人覺得原理清楚之后按部就班的編寫代碼還好，只是剛接觸波形仿真和調(diào)試的時候是真心不順心，還好有其他人幫忙調(diào)試；在調(diào)試的過程中其實會學(xué)習(xí)到很多東西，很多經(jīng)驗，以及很簡單的但你之前就是不知道的知識，這就是一個實踐的過程，有時候你根本不知道錯誤在哪里，這怎么會是錯誤的呢，為什么不可以這樣寫，我覺得這樣寫才是正確的，這些就是在調(diào)試過程中本人的真實心情寫照呀。可是，沒有那么多為什么，verilog就是這樣編程的，只是你不知道而已！這才是最傷人的，因為你不知道！

仿真調(diào)試的過程中遇到的問題以及解決方法有空專門寫一篇，調(diào)試的過程中最好是一個一個模塊的測試，特別是關(guān)鍵信號的數(shù)值，最好搞懂整體模塊和各個模塊的時序設(shè)計過程，推薦使用TimeDesigner進行波形的設(shè)計；另外還需要有關(guān)聯(lián)的兩個甚至多個不同模塊信號的交叉仿真驗證。

4、與matlab的中值濾波結(jié)果進行比較

使用matlab編程基于自帶的中值濾波函數(shù)得到處理之后的圖像與數(shù)據(jù)，并將verilog得到的濾波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，將二者進行比較

使用matlab自帶的中值濾波函數(shù)medfilt2生成原圖像的灰度圖像的濾波數(shù)據(jù)；

% mcode to median filter for one jpg image, and create a image data filesrc = imread('lena.jpg');gray = rgb2gray(src);medfilt2im = medfilt2( gray );[m, n] = size( medfilt2im );                  % m行 n列N = m*n;                               %%數(shù)據(jù)的長度，即存儲器深度。word_len = 8;                          %%每個單元的占據(jù)的位數(shù)，需自己設(shè)定lena_gray = reshape(gray', 1, N);% 1行N列lena_medfilt = reshape(medfilt2im', 1, N);% 1行N列fid_gray=fopen('lena_gray.txt', 'wt');       %打開文件fid_medfilt=fopen('lena_medfilt.txt', 'wt');       %打開文件% fprintf(fid, 'MEMORY_INITIALIZATION_RADIX=16;n');% fprintf(fid, 'MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR=n');for i = 1 : N-1fprintf(fid_gray, '%d,n', lena_gray(i));%使用%x表示十六進制數(shù)endfprintf(fid_gray, '%d;n', data(N));                 %%輸出結(jié)尾,每個數(shù)據(jù)后面用逗號或者空格或者換行符隔開，最后一個數(shù)據(jù)后面加分號fclose(fid_gray);                            %%關(guān)閉文件for i = 1 : N-1fprintf(fid_medfilt, '%d,n', lena_medfilt(i));%使用%x表示十六進制數(shù)endfprintf(fid_medfilt, '%d;n', lena_medfilt(N));                 %%輸出結(jié)尾,每個數(shù)據(jù)后面用逗號或者空格或者換行符隔開，最后一個數(shù)據(jù)后面加分號fclose(fid_medfilt);                            %%關(guān)閉文件

將medfilt2函數(shù)和verilog產(chǎn)生的濾波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，并與matlab直接產(chǎn)生的濾波圖像進行對比，代碼如下：

% code to create image data from txt fileclc;clear all;close all;I_rgb = imread('lena.jpg');subplot(2, 3, 1), imshow(I_rgb), title('lena-rgb')
I_gray = rgb2gray(I_rgb);subplot(2, 3, 2), imshow(I_gray), title('lena-gray')
medfilt_m_load = load('.lena_medfilt.txt');%medfilt_m_load = load('.lena.coe');medfilt_v_load = load('.medfilter2_reV1.txt'); % verilog 產(chǎn)生的中值濾波之后數(shù)據(jù)
medfilt2im = medfilt2( I_gray );subplot(2, 3, 3), imshow(medfilt2im), title('lena-medfilt2')
m = 512;n = 512;medfilt_m = reshape(medfilt_m_load, m, n);medfilt_v = reshape(medfilt_v_load, m, n);medfilt_m = uint8(medfilt_m');medfilt_v = uint8(medfilt_v');
aa = medfilt2im - medfilt_m;bb = medfilt2im - medfilt_v;cc = medfilt_m - medfilt_v;
subplot(2, 3, 5), imshow(medfilt_m), title('medfilt-matlab');subplot(2, 3, 6), imshow(medfilt_v), title('medfilt-verilog');

顯示的結(jié)果如下圖所示：

結(jié)果：兩種濾波產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)完全一致，不過感覺函數(shù)直接產(chǎn)生的圖像顏色更深一些，不知道為什么。

這里需要了解一下medfilt2這個函數(shù)的原理。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，默認情況下該函數(shù)對圖像邊界采用的是補0的方法進行處理的。

結(jié)論

中值濾波終于告一段落了！簡單的問題還是需要深入進去研究的，實踐的過程中你才會發(fā)現(xiàn)自己之前了解的東西是多么的淺薄，對已知的知識掌握的是多么的流于表面！最后結(jié)果的數(shù)據(jù)還是很讓人開心的!