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基于FPGA的RGB2YUV、圖像增強、YUV2RGBIP仿真實(shí)例 騰訊鏈接：https://share.weiyun.com/5GQyKKc 百度網(wǎng)盤(pán)鏈接：https://pan.baidu.com/s/1M7PLzRs-yMJv7NFJE8GVAw 提取碼：qr0t 
Xilinx的Vivado中集成的圖像增強（Image Enhancement）IP可以有效降低圖像噪聲并增強圖像邊緣。該IP使用了2D濾波方式，可以在達到更好的圖像噪聲抑制同時(shí)，保留并增強圖像邊緣。 如圖所示，對于一個(gè)比較經(jīng)典的圖像前端處理，圖像增強常常也是一個(gè)必不可少的步驟。在我們這個(gè)實(shí)例中，我們需要設計一個(gè)右側圖示紅圈內的圖像流處理。即RGB toYCbCr模塊、圖像增強模塊、YCbCrto RGB模塊，這3個(gè)模塊都有可用的IP核。
圖像增強IP的功能框圖如下所示。該IP輸入和輸出的圖像數據必須為YUV444或YUV422模式；待處理圖像進(jìn)入IP后，首先需要多行緩存，然后分別通過(guò)降噪（Noise Reduction）模塊和邊緣檢測與增強（Edge Map Morphology和Edge Enhance）模塊。完成處理后的圖像再擬合在一塊，最后會(huì )通過(guò)可選的光環(huán)抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊，完成最終圖像輸出。邊緣增強和噪聲抑制實(shí)際上是兩個(gè)完全相反的圖像處理方式，為了保證兩個(gè)模塊能夠更好的實(shí)現增強圖像的效果，在這個(gè)IP中，第一步做的是圖像的形態(tài)檢測（Edge Map Morphology），然后再根據這個(gè)結果，對圖像中需要降噪的部分和邊緣增強的部分分別處理。
圖像形態(tài)學(xué)檢測是整個(gè)圖像增強的第一步，它用于指示后續需要對圖像進(jìn)行降噪或邊緣增強操作。圖像形態(tài)學(xué)檢測主要包括下面兩步： ①經(jīng)過(guò)二維的FIR濾波器，從水平、垂直以及兩個(gè)對角共4個(gè)維度提取邊緣信息。 ②使用拉長(cháng)、正交的結構單元和形態(tài)學(xué)處理，用于提供清晰的各個(gè)方向邊緣信息。 降噪處理是基于中心像素點(diǎn)以及特定的臨近像素點(diǎn)的濾波實(shí)現的。算法實(shí)現類(lèi)似高斯的定向低通濾波。噪聲門(mén)限由IP核的設置決定。圖像形態(tài)檢測信息標定出的邊緣不會(huì )做任何的降噪處理。
IP核設定的邊緣增強參數決定了邊緣增強的幅度。根據邊緣檢測形態(tài)信息，邊緣增強模塊對標記處的邊緣做拉普拉斯濾波，實(shí)現邊緣增強效果。
光環(huán)抑制（Anti-halo）和鋸齒消除（Anti-alias）模塊是可選的功能塊。前面進(jìn)行噪聲抑制和邊緣增強后的圖像，可能存在圖像邊緣被放大或抑制的情況。光環(huán)抑制和鋸齒消除，是通過(guò)判斷每個(gè)新的像素值與原圖像的像素值以及鄰近8個(gè)像素值的比較，以判斷其是否需要進(jìn)行相應的處理并實(shí)現圖像的優(yōu)化。 如圖所示，原圖（左側）在圖像增強后可能出現光環(huán)現象（中間），那么經(jīng)過(guò)光環(huán)抑制后圖像（右側）就能夠實(shí)現最優(yōu)化。
使用at7_img_ex08\matlab文件夾下的Matlab源碼image_txt_generation.m產(chǎn)生作為FPGA仿真輸入的測試圖像數據，存儲在image_in_hex.txt中。FPGA仿真測試后，產(chǎn)生圖像增強數據存儲在FPGA_Enhenchment_Image.txt中，使用Matlab的draw_image_from_FPGA_result.m腳本則可以比對圖像增強前后的效果。
Vivado的IP Catalog中，Video & Image Processing分類(lèi)下，可以看到有很多可用的圖像處理IP核。我們需要用到的RGB toYCbCr、Image Enhancement和YCbCrto RGB這3個(gè)IP核，都在該分類(lèi)下可以找到。
3.1 RGB toYCbCr IP配置
Feature配置頁(yè)面中，設置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。
Custom配置頁(yè)面中，可以看到RGB toYCbCr轉換的基本公式參數。
配置頁(yè)面很簡(jiǎn)單，設定好圖像位寬8bit，圖像分辨率640*480，圖像噪聲抑制（Image Noise Reduction）水平（取值0~255），圖像邊緣增強（Image Edge Enhancement）水平（取值0~1.0），以及可選的光環(huán)抑制（Halo Suppression）和鋸齒消除（Anti-Alias Filtering）。
Feature配置頁(yè)面中，設置圖像位寬8bit，分辨率為640*480，YUV格式，輸出圖像取值范圍0~255即可。
Custom配置頁(yè)面中，可以看到YCbCr to RGB轉換的基本公式參數。
4FPGA仿真
Vivado打開(kāi)zstar_ex70工程，在Sources面板中，展開(kāi)Simulation Sources à sim_1，將at7_image_enhance_sim.v文件設置為top module。點(diǎn)擊Flow Navigator面板的Simulation à Run Simulation打開(kāi)仿真頁(yè)面，matlab產(chǎn)生的原始圖像數據image_in_hex.txt需要放置在at7.sim文件夾下，仿真測試結果位于at7_img_ex08\at7.sim\sim_1\behav文件夾下。 在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.0，Halo Suppression = 0.125時(shí)，比對圖像如下。
在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 0.125，Halo Suppression = 0.75時(shí)，比對圖像如下。
在設定Noise Threshold = 192，Enhancement Strength = 1.0，Halo Suppression = 0.75時(shí)，比對圖像如下。
AT7_Xilinx開(kāi)發(fā)板（USB3.0+LVDS）資料共享 騰訊鏈接：https://share.weiyun.com/5GQyKKc 百度網(wǎng)盤(pán)鏈接：https://pan.baidu.com/s/1M7PLzRs-yMJv7NFJE8GVAw 提取碼：qr0t |
