基于FPGA的图像差分处理

1背景知识

差分图像在许多领域得到了广泛的应用，比如：视频压缩，生物医学诊断，天文学，遥感，人脸识别等。

2 matlab仿真
MATLAB源码：
Main.m
I = imread('flower.bmp'); figure, imshow(I);
I_gray = rgb2gray(I);figure,imshow(I_gray);
Id = mipcentraldiff(I_gray,'dx'); figure, imshow(Id);


Mipcentraldiff.m
function dimg = mipcentraldiff(img,direction)
% MIPCENTRALDIFF Finite difference calculations 
%
% DIMG = MIPCENTRALDIFF(IMG,DIRECTION)
%
% Calculates the central-difference for?a given direction
% IMG : input image
% DIRECTION : 'dx'?or 'dy'
% DIMG : resultant image
%
% See also MIPFORWARDDIFF MIPBACKWARDDIFF MIPSECONDDERIV
% MIPSECONDPARTIALDERIV
% Omer Demirkaya, Musa Asyali, Prasana Shaoo, ... 
% Medical Image Processing Toolbox
img = padarray(img,[1 1],'symmetric','both');
[row,col] = size(img);
dimg = zeros(row,col);
switch(direction)
case'dx',
dimg(:,2:col-1) = (img(:,3:col)-img(:,1:col-2))/2;
case'dy',
dimg(2:row-1,:) = (img(3:row,:)-img(1:row-2,:))/2;
otherwise,
disp('Direction is unknown');
end
dimg = dimg(2:end-1,2:end-1);

仿真结果：

图1 RGB原图

图2 gray

图3 central_diff

3 FPGA设计

图4 基于串口传图的中心差分

如图4所示，我们将RGB565格式转化为Ycbcr格式，Y通道进入中心差分模块，完成中心差分算法。

FPGA源码：

*/
////////////////////////////////////////////////////////////////
wire [15:0] rgb;
wire hs;
wire vs;
wire de;


wire o_hs;
wire o_vs;
wire o_de;


wire[7 : 0]o_y_8b;
wire[7 : 0]o_cb_8b;
wire[7 : 0]o_cr_8b;


//assign TFT_rgb = {o_y_8b[7:3],o_y_8b[7:2],o_y_8b[7:3]};     //Y
//assign TFT_rgb = {o_cb_8b[7:3],o_cb_8b[7:2],o_cb_8b[7:3]};  //cb
//assign TFT_rgb = {o_cr_8b[7:3],o_cr_8b[7:2],o_cr_8b[7:3]};  //cr


//////////////////////////////////////////////////////////////
tft_ctrl tft_ctrl(
.Clk9M(clk9M),//系统输入时钟9MHZ
.Rst_n(Rst_n),//复位输入，低电平复位
.data_in({Rd_data[7:0],Rd_data[15:8]}),//待显示数据
.hcount(),//TFT行扫描计数器
.vcount(),//TFT场扫描计数器
.TFT_RGB(rgb),//TFT数据输出
.TFT_HS(hs),//TFT行同步信号
.TFT_VS(vs),//TFT场同步信号
.TFT_CLK(TFT_clk),//TFT像素时钟
.TFT_DE(de),//TFT数据使能
.TFT_begin(tft_begin),
.TFT_PWM(TFT_pwm)//TFT背光控制
);


 
rgb_to_ycbcr  rgb_to_ycbcr_inst(
  .clk(TFT_clk),
  .i_r_8b({rgb[15:11],3'b0}),
  .i_g_8b({rgb[10:5],2'b0}),
  .i_b_8b({rgb[4:0],3'b0}),
 
  .i_h_sync(hs),
  .i_v_sync(vs),
  .i_data_en(de),

  .o_y_8b(o_y_8b),
  .o_cb_8b(o_cb_8b),
  .o_cr_8b(o_cr_8b),

  .o_h_sync(o_hs),
  .o_v_sync(o_vs),                                                                                                  
  .o_data_en(o_de)                                                                                                
);

reg [7:0] diff_data;
reg [7:0] o_y_8b_r0;
reg [7:0] o_y_8b_r1;
reg [7:0] o_y_8b_r2;


reg hs0;
reg hs1;
reg hs2;


reg vs0;
reg vs1;
reg vs2;


reg de0;
reg de1;
reg de2;


always @(posedge TFT_clk or negedge Rst_n) begin
  if(!Rst_n) begin
    hs0 <= 0;
hs1 <= 0;
hs2 <= 0;
 
vs0 <= 0;
vs1 <= 0;
vs2 <= 0;
 
de0 <= 0;
de1 <= 0;
de2 <= 0;
 
o_y_8b_r0 <= 0;
o_y_8b_r1 <= 0;
o_y_8b_r2 <= 0;
  end
  else begin
    hs0 <= o_hs;
hs1 <= hs0;
hs2 <= hs1;
 
vs0 <= o_vs;
vs1 <= vs0;
vs2 <= vs1;
 
de0 <= o_de;
de1 <= de0;
de2 <= de1;
 
o_y_8b_r0 <= o_y_8b;
o_y_8b_r1 <= o_y_8b_r0;
o_y_8b_r2 <= o_y_8b_r1;
  end   
end


always @(posedge TFT_clk or negedge Rst_n) begin
  if(!Rst_n) 
    diff_data <= 0;
  else if(de2)
    diff_data <= (o_y_8b_r2 - o_y_8b_r0) >>1;
  else
    diff_data <= diff_data;
end


assign TFT_rgb = {diff_data[7:3],diff_data[7:2],diff_data[7:3]};
assign TFT_de  = de1;
assign TFT_hs  = hs1;
assign TFT_vs  = vs1;
Endmodule


结果展示：

图5 FPGA中心差分结果

如图5所示，由于手机拍摄原因，图片不是很清晰，但基本结果一致，实验成功。我们将把中心差分模块移植到基于ov5640的实时图像采集系统完成rgb三通道的彩色输出。

图6 基于ov5640的r/g/b通道彩色实时输出中心差分

实验结果成功，部分带有彩色。