FPGA学习-基于FIFO的行缓存结构

像素行与像素窗口

一幅图像是由一个个像素点构成的，对于一幅480*272大小的图片来说，其宽度是480，高度是272。在使用FPGA进行图像处理时，最关键的就是使用FPGA内部的存储资源对像素行进行缓存与变换。由于在图像处理过程中，经常会使用到卷积，因此需要对图像进行开窗，然后将开窗得到的局部图像与卷积核进行卷积，从而完成处理。

图像数据一般按照一定的格式和时序进行传输，在我进行实验的时候，处理图像时，让其以VGA的时序来进行工作，这样能够为我处理行缓存提供便利。

基于FIFO的行缓存结构

在FPGA中对图像的一行数据进行缓存时，可以采用FIFO这一结构，如上图所示，新一行图像数据流入到FIFO1中，FIFO1中会对图像数据进行缓存，当FIFO1中缓存有一行图像数据时，在下一行图像数据来临的时候，将FIFO1中缓存的图像数据读出，并传递给下一个FIFO，于此同时，将新一行的图像数据缓存到FIFO1中，这样就能完成多行图像的缓存。

若要缓存多行图像，下面的菊花链式的结果更能够直观地表现图像数据地流向。

新输入地图像缓存到FIFO1当中，当FIFO中缓存有一行数据的时候，下一个输入像素来临的时候，会将数据从本FIFO中读出，并给到下一个FIFO，来形成类似于一个流水线的结构。

上面的图中，就是实现一个5X5大小的窗口的一个结构图。

代码设计

实现一个可以生成任意尺寸大小的开窗的模块，需要注意参数的使用，可以通过调节KSZ来调整窗口的大小。最终将窗口中的图像像素，转换成一个一维的数据输出给到下一个模块。

在设计的时候，对于FIFO要选择精准计数模式，这样才能让流水正常工作起来。

在代码中通过generate语句来实现多个line_buffer的例化，line buffer的个数可以根据卷积窗口的大小来选择，例如3X3大小的卷积窗口需要缓存两行，5X5大小的卷积窗口需要缓存4行，可以通过设置参数来选择要例化多少个line_buffer。

时序设计

在设计FIFO的菊花链结构时，需要根据当前FIFO中存储的数据个数来判断，这时候使用到精准计数模式，可以反应FIFO中的存储的数据。当FIFO中存储有一行数据的时候，使能pop_en信号，表示当前可以将数据从FIFO中读出。

在将数据写入到FIFO中的时候，需要对数据进行扩充，也即需要对输入的图像的边界补充数据，因为进行卷积之后的图像将会比原始图像数据尺寸减少，因此在形成卷积窗口时，将图像扩充，能够让图像处理完成之后，保持原来的尺寸，只是会在边界出现黑边。

win_buf这个模块的最终输出，就是一个矩阵内的所有像素，组成一个信号输出到外部，供进行卷积的处理。

仿真验证

输入的第三行数据的前三个数据是：0x00，0x78，0x7c

输入的第二行数据的前三个数据是：0x00，0x7d，0x7d

输入的第一行数据的前三个数据是：0x00，0x7e，0x7f

输出的第一个矩阵的值是：0x0078_7c00_7d7d_007e_7f

输入行数据第一个数据是0x00这是因为扩充了边界的原因。

可以看到，设置KSZ为3,可以得到一个位宽为72bit的输出数据，该数据包含了一个窗口中的9个数据。

5X5开窗

设置开窗大小为5x5之后，也可以看到输出信号的位宽变为了8*25=200bit，也就是一个5X5大小的矩阵中的数据。

输入的第5行数据的前5个数据是：0x00，0x00，0x7e，0x7c，0x7f

输入的第4行数据的前5个数据是：0x00，0x00，0x7e，0x7e，0x7e，

输入的第3行数据的前5个数据是：0x00，0x00，0x78，0x7c，0x7c

输入的第2行数据的前5个数据是：0x00，0x00，0x7d，0x7d，0x7a

输入的第1行数据的前5个数据是：0x00，0x00，0x7e，0x7f，0x7d

从输出结果看，输出的矩阵数据，刚好是这5行的前5数据，并且前两个数据是0x00，这是因为在每一行前面补充了两个0的原因。

经过测试，这种开窗算子是能够完成任意此村的开窗的。

实际应用

在实际应用中，我也将这个模块正确地使用上了，完成了一个3x3的sobel算子和5x5的均值滤波。

原始图像

3x3 Sobel

审核编辑 ：李倩