【FPGA图像处理实战】- 图像行缓存设计实现方式一（FIFO）

图像处理中稍复杂点的算法，就需要行缓存，比如实现3*3窗口、6*6窗口的数据计算，行缓存的设计能力也是FPGA图像处理开发的基础技能。

本文将详细介绍使用FIFO来实现图像行缓存的设计，包括关键逻辑分析，verilog源代码实现分享。

一、行缓存功能的设计框架

图像数据一般都是按照从左到右，从上到下，一行行数据的方式发送传输的。

这里以3*3窗口为例，需要同时输出三行（上一行、当前行、下一行），如下图所示。

网上通常看见的行缓存实现，3*3窗口需要3个行缓存，这里我分享更加节省资源的方式，实际只需通过2个行缓存即可实现。

二、行缓存设计的关键思想

每一个行缓存fifo，都是在缓存完一行数据后，如果有新的数据输入，则同步输出一个数据出去。

这样当新的一行数据到来时，第1个行缓存刚好输出上一行数据，第2个行缓存输出当前行数据，刚到来的新的一行数据直接当做下一行数据输出即可。

有些特殊位置数据需要处理：以当前行为图像边界数据时，上一行和下一行数据实际不存在，需要直接给0或者复制当前行来处理。

这里以以3*3窗口为例，边界行处理逻辑如下：

第1个行缓存，是整个画面的第1行时， 上一行数据不存在，复制第1个行缓存或者直接为0输出。

第1个行缓存，是整个画面的最后第1行时， 下一行数据不存在，复制第1个行缓存输出。

三、FPGA实现代码

1、行缓存子模块实现

（1）FIFO IP 参数配置

Native Ports配置页：Read Mode 选择“First Word Fall Through”，设定合理的数据宽度和深度。

Data Counts配置页：选中“Data Count”

（2）行缓存子模块

通过对写入fifo的数据计数或利用fifo自带的data_count计数，在缓存完一行数据后，每输入一个数据，就输出一个数据。

module line_buffer( input wire clk, input wire reset, input wire [10:0] img_width, input wire valid_i, input wire [23:0] data_i, output wire valid_o, output wire [23:0] data_o ); //变量声明 reg [10:0] wr_data_cnt; wire rd_en; wire [11:0] fifo_data_count_w; //写入数据计数 always@(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) begin wr_data_cnt <= 0; end else begin wr_data_cnt <= valid_i&&(wr_data_cnt < img_width) ? (wr_data_cnt + 1b1) : wr_data_cnt; end end //assign rd_en = valid_i&&(wr_data_cnt == img_width) ? 1b1 : 1b0; //等价于 assign rd_en = valid_i&&(fifo_data_count_w == img_width) ? 1b1 : 1b0; assign valid_o = rd_en;fifo_line_buffer u_fifo_line_buffer ( .clk(clk), // input wire clk .srst(reset), // input wire srst .din(data_i), // input wire [23 : 0] din .wr_en(valid_i), // input wire wr_en .rd_en(rd_en), // input wire rd_en .dout(data_o), // output wire [23 : 0] dout .full(), // output wire full .empty(), // output wire empty .data_count(fifo_data_count_w) // output wire [11 : 0] data_count); endmodule

2、3行缓存同步输出模块

（1）调用行缓存模块连线逻辑与第1节的示意图一致，使用generate语句复制调用模块。 genvar i; integer j; wire [0:0] valid [0:N-1]; wire [23:0] data [0:N-1]; assign valid[0] = valid_i; assign data[0] = img_data_i; //行缓存模块, 只需要缓存N-1个fifo即可 generate for(i=1;i<N;i=i+1) begin:lb line_buffer u_line_buffer( .clk ( clk ), .reset ( reset ), .img_width ( img_width ), .valid_i ( valid[i-1] ), .data_i ( data[i-1] ), .valid_o ( valid[i] ), .data_o ( data[i] ) ); end endgenerate

（2）并行输出3行数据

直接将第1个缓存的输出有效信号作为实际的输出信号即可。

reg [10:0] out_data_cnt; reg [9:0] out_line_cnt; reg ch_valid; reg [23:0] ch_data [0:N-1]; always@(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) begin for(j=0;j<3;j=j+1) ch_data[j] <= 0; end else if(valid[N-2]) begin ch_data[1] <= data[1]; if(out_line_cnt == 0) begin ch_data[2] <= 0; ch_data[0] <= data[0]; end else if(out_line_cnt == img_height -1) begin ch_data[2] <= data[2]; ch_data[0] <= 0; end else begin ch_data[2] <= data[2]; ch_data[0] <= data[0]; end end end always@(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) begin ch_valid <= 0; out_data_cnt <= 0; out_line_cnt <= 0; end else begin ch_valid <= valid[N-2]; out_data_cnt <= valid[N-2] ? ((out_data_cnt == img_width - 1) ? 0 : out_data_cnt + 1) : out_data_cnt; out_line_cnt <= valid[N-2]&&(out_data_cnt == img_width - 1) ? ((out_line_cnt == img_height - 1) ? 0 : out_line_cnt + 1) : out_line_cnt; end end

3、仿真测试

如果需要工程源码，想要掌握更多的FPGA图像处理算法，学习FPGA图像算法的实现。

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