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健康奶 · 2023年07月04日 · 北京市

FPGA HLS图像缩放，双线性插值任意比例缩放，提供4套工程源码和技术支持

FPGAVerilogSystemVerilog芯片设计前端嵌入式系统

FPGA HLS图像缩放，双线性插值任意比例缩放，提供4套工程源码和技术支持

1.双线性插值算法简介

已知的红色数据点与待插值得到的绿色点。
在这里插入图片描述
假如我们想得到未知函数 f 在点 P= (x,y) 的值，假设我们已知函数 f 在 Q11 = (x1,y1)、
Q12 = (x1,y2),Q21 = (x2,y1) 以及 Q22 = (x2,y2) 四个点的值。
首先在 x 方向进行线性插值，得到 R1 和 R2，然后在 y 方向进行线性插值，得到 P。
这样就得到所要的结果 f(x,y)。
其中红色点 Q11,Q12,Q21,Q22 为已知的 4 个像素点.
第一步：X 方向的线性插值，在 Q12,Q22 中插入蓝色点 R2，Q11，Q21 中插入蓝色点
R1；
第二步：Y 方向的线性插值，通过第一步计算出的 R1 与 R2 在 y 方向上插值计算出 P
点。
线性插值的结果与插值的顺序无关。首先进行 y 方向的插值，然后进行 x 方向的插值，
所得到的结果是一样的。双线性插值的结果与先进行哪个方向的插值无关。
如果选择一个坐标系统使得四个已知点坐标分别为 (0, 0)、(0, 1)、(1, 0) 和 (1, 1)，那
么插值公式就可以化简为f(x,y)=f(0,0)(1-x)(1-y)+f(1,0)x(1-y)+f(0,1)(1-x)y+f(1,1)xy
具体的双线性插值算法描述如下:
对于一个目标像素，通过反向变换得到的浮点坐标为(i+u，j+v) (其中 i、j 均为浮点坐标
的整数部分，u、v 为浮点坐标的小数部分，是取值[0，1)区间的浮点数)，则这个像素值 f(i+u，
j+v) 可由原图像中坐标为 (i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)、(i+1，j+1)所对应的周围四个像素的值决
定，即：f(i+u，j+v) = (1-u)(1-v)f(i，j) + (1-u)vf(i，j+1) + u(1-v)f(i+1，j) + uvf(i+1，j+1)；
其中 f(i，j)表示源图像(i，j)处的的像素值，以此类推。
比如，刚才的例子，现在假定目标图的像素坐标为（1，1），那么反推得到的对应于源
图的坐标是（0.75 ， 0.75）， 这其实只是一个概念上的虚拟像素，实际在源图中并不存在
这样一个像素，那么目标图的像素（1，1）的取值不能够由这个虚拟像素来决定，而只能由
源图的这四个像素共同决定：（0，0）（0，1）（1，0）（1，1），而由于（0.75，0.75）离（1，
1）要更近一些，那么（1，1）所起的决定作用更大一些，这从公式 1 中的系数 uv=0.75×0.75
就可以体现出来，而（0.75，0.75）离（0，0）最远，所以（0，0）所起的决定作用就要小
一些，公式中系数为(1-u)(1-v)=0.25×0.25 也体现出了这一特点。

2.双线性插值算法的HLS实现与IP封装

建立HLS工程，粘贴复制源码编译即可，然后封装IP，“关注并私信我”获得HLS源码。
封装后的IP如下图：
在这里插入图片描述
IP不需要点击配置，直接连线即可使用。

3.vivado工程介绍

FPGA型号：zynq7100，可移植到其他型号；
vivado版本：2019.1；
测试使用模块：OV5640 摄像头；
放大测试：将 720P 分辨率图像放大到 1080P。
缩小测试：将 720P 分辨率图像缩小到 640x480。
本章实现的缩放 IP 主要用于功能验证，可以在此基础上，对数据流进行进一步处理，
这里不在赘述。

4.OV5640摄像头720P原分辨率输出实验

此工程的目的是为了对比缩放的效果；
输入：OV5640 摄像头，分辨率720P；
输出：HDMI显示背景1080P，有效图像区720P；
BD工程如下：
在这里插入图片描述
SDK配置：

#include "I2C_16bit.h"
#include "xiicps.h"
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "color.h"

#define VDMA_BASEADDR    XPAR_AXI_VDMA_0_BASEADDR

#define VIDEO_BASEADDR0 0x01000000
#define VIDEO_BASEADDR1 0x02000000
#define VIDEO_BASEADDR2 0x03000000

#define H_ACTIVE    1920
#define V_ACTIVE    1080
#define H_STRIDE    1920

XIicPs    Iic;

u32 i=0;
//#define SUM   8294400 //背景写黑  1920*1080*4
#define SUM   H_ACTIVE*V_ACTIVE*4 //背景写黑  1920*1080*4

void main()
{
    // Initialize OV5640 regesiter
    I2C_config_init();
    //设置内存中的背景
    for(i=0;i<SUM;i++){
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR0 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR1 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR2 + i), 0x00);
    }
    //VDMA_WRITE
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x030), 0x108B);// enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0AC), VIDEO_BASEADDR0);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B0), VIDEO_BASEADDR1);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B4), VIDEO_BASEADDR2);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A8), (H_STRIDE*3));        // h offset (H_STRIDE* 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A4), (H_ACTIVE*3));        // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A0), V_ACTIVE);            // v size (V_ACTIVE)
    //VDMA_READ
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x000), 0x8B);         // enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x05c), VIDEO_BASEADDR0);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x060), VIDEO_BASEADDR1);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x064), VIDEO_BASEADDR2);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x058), (H_STRIDE*3));         // h offset (H_STRIDE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x054), (H_ACTIVE*3));         // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x050), V_ACTIVE);             // v size (V_ACTIVE)
    while (1) ;
}

输出显示如下：
在这里插入图片描述
请注意看原图视野，以便和后面的缩放做对比；

5.OV5640摄像头720P缩小到640X480输出实验

此工程的目的是为了对比缩小的效果；
输入：OV5640 摄像头，分辨率720P；
输出：HDMI显示640X480P分辨率；
BD工程如下：
在这里插入图片描述
其中输出分辨率为640X480P，如下：
在这里插入图片描述
SDK配置：

#include "I2C_16bit.h"
#include "xiicps.h"
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "color.h"
#include "xhls_video_scaler_top.h"

#define VDMA_BASEADDR    XPAR_AXI_VDMA_0_BASEADDR
#define XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_DEVICE_ID   XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_0_DEVICE_ID
#define VIDEO_BASEADDR0 0x01000000
#define VIDEO_BASEADDR1 0x02000000
#define VIDEO_BASEADDR2 0x03000000
//输出分辨率640X480P
#define H_ACTIVE    640
#define V_ACTIVE    480
#define H_STRIDE    640

XHls_video_scaler_top   XHls_video_scaler;
XIicPs    Iic;
u32 i=0;
#define SUM   H_ACTIVE*V_ACTIVE*4 //背景写黑  1920*1080*4

void main()
{
    // Initialize OV5640 regesiter
    I2C_config_init();
    //设置内存中的背景
    for(i=0;i<SUM;i++){
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR0 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR1 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR2 + i), 0x00);
    }
    
    //scaler720P-->480X640
    XHls_video_scaler_top_Initialize(&XHls_video_scaler, XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_DEVICE_ID);
    XHls_video_scaler_setup(720,1280,480,640);
    //VDMA_WRITE
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x030), 0x108B);// enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0AC), VIDEO_BASEADDR0);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B0), VIDEO_BASEADDR1);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B4), VIDEO_BASEADDR2);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A8), (H_STRIDE*3));        // h offset (H_STRIDE* 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A4), (H_ACTIVE*3));        // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A0), V_ACTIVE);            // v size (V_ACTIVE)
    //VDMA_READ
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x000), 0x8B);         // enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x05c), VIDEO_BASEADDR0);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x060), VIDEO_BASEADDR1);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x064), VIDEO_BASEADDR2);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x058), (H_STRIDE*3));         // h offset (H_STRIDE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x054), (H_ACTIVE*3));         // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x050), V_ACTIVE);             // v size (V_ACTIVE)
    while (1) ;
}

输出显示如下：
在这里插入图片描述

6.OV5640摄像头720P放大到1080P输出实验

此工程的目的是为了对比放大的效果；
输入：OV5640 摄像头，分辨率1080P；
输出：HDMI显示1080P分辨率；
BD工程如下：
在这里插入图片描述
其中输出分辨率为1080P，如下：
在这里插入图片描述
SDK配置：

#include "I2C_16bit.h"
#include "xiicps.h"
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "color.h"
#include "xhls_video_scaler_top.h"

#define VDMA_BASEADDR    XPAR_AXI_VDMA_0_BASEADDR
#define XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_DEVICE_ID   XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_0_DEVICE_ID
#define VIDEO_BASEADDR0 0x01000000
#define VIDEO_BASEADDR1 0x02000000
#define VIDEO_BASEADDR2 0x03000000
//输出分辨率：1080P
#define H_ACTIVE    1920
#define V_ACTIVE    1080
#define H_STRIDE    1920

XHls_video_scaler_top   XHls_video_scaler;
XIicPs    Iic;

u32 i=0;
#define SUM   H_ACTIVE*V_ACTIVE*4 //背景写黑  1920*1080*4

void main()
{
    // Initialize OV5640 regesiter
    I2C_config_init();
    //设置内存中的背景
    for(i=0;i<SUM;i++){
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR0 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR1 + i), 0x00);
        Xil_Out16((VIDEO_BASEADDR2 + i), 0x00);
    }    
    ////scaler720P-->1080P
    XHls_video_scaler_top_Initialize(&XHls_video_scaler, XPAR_HLS_VIDEO_SCALER_TOP_DEVICE_ID);
    XHls_video_scaler_setup(720,1280,720,1280);
    //VDMA_WRITE
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x030), 0x108B);// enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0AC), VIDEO_BASEADDR0);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B0), VIDEO_BASEADDR1);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0B4), VIDEO_BASEADDR2);    // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A8), (H_STRIDE*3));        // h offset (H_STRIDE* 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A4), (H_ACTIVE*3));        // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x0A0), V_ACTIVE);            // v size (V_ACTIVE)
    //VDMA_READ
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x000), 0x8B);         // enable circular mode
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x05c), VIDEO_BASEADDR0);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x060), VIDEO_BASEADDR1);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x064), VIDEO_BASEADDR2);     // start address
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x058), (H_STRIDE*3));         // h offset (H_STRIDE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x054), (H_ACTIVE*3));         // h size (H_ACTIVE * 3) bytes
    Xil_Out32((VDMA_BASEADDR + 0x050), V_ACTIVE);             // v size (V_ACTIVE)
    while (1) ;
}

输出显示如下：
在这里插入图片描述

6.福利：工程源码获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以百度网盘链接方式发送，
通过微信获取资料：
微信图片_20230604203730.jpg
网盘资料如下：
在这里插入图片描述

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