[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_图像入门连载-9FPGA 实现图像均值滤波处理

​软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1 图像均值滤波算法简介

均值滤波也称为线性滤波，其采用的主要方法为邻域平均法。线性滤波的基本原理是用均值代替原图像中的各 个像素值，即对待处理的当前像素点（x ，y），选择一个模板，该模板由其近邻的若干像素组成，求模板中所有像 素的均值，再把该均值赋予当前像素点（x ，y），作为处理后图像在该点上的灰度 g（x ，y），即

g(x, y) = Σ f (x, y) / m

m 为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。图像处理的模板在上一讲介绍过，3x3 或 5x5 的模板都可以用 于均值滤波。

2 设计分析

2.1Matlab代码分析

源代码如下：

1. 源代码如下：
   
2. 
   
3. clear;clear all;clc;
   
4. 
   
5. image_in = imread('lena_1280x720.jpg'); % [row,col,n] = size(image_in);
   
6. 
   
7. image_gray    = rgb2gray(image_in);
   
8. image_gray             = im2double(image_gray); %变为双精度类型
   
9. average_image       = zeros(row,col);
   
10. for i = 2:1:row-1
    
11. for j = 2:1:col-1
    
12. average_image(i,j) = (...
    
13. image_gray(i-1,j-1)+image_gray(i-1,j)+image_gray(i-1,j+1)+...   image_gray(i,j-1)    +image_gray(i,j)    +image_gray(i,j+1)    +...
    
14. image_gray(i+1,j-1)+image_gray(i+1,j)+image_gray(i+1,j+1))/9;%取中值 end
    
15. end
    
16. 
    
17. image_gray1   = imnoise  加入椒盐噪声
    
18. image_gray1           = im2double  变为双精度
    
19. average_image1     = zeros(row,col);
    
20. for i = 2:1:row-1
    
21. for j = 2:1:col-1
    
22. average_image1(i,j) = (...
    
23. image_gray1(i-1,j-1)+image_gray1(i-1,j)+image_gray1(i-1,j+1)+...   image_gray1(i,j-1)    +image_gray1(i,j)    +image_gray1(i,j+1)    +...
    
24. image_gray1(i+1,j-1)+image_gray1(i+1,j)+image_gray1(i+1,j+1))/9;%取中值 end
    
25. end
    
26. 
    
27. image_gray2   = imnoise(image_gray,'gaussian',0.05); %加入高斯噪声 image_gray2           = im2double(image_gray2);
    
28. average_image2     = zeros(row,col);
    
29. for i = 2:1:row-1
    
30. for j = 2:1:col-1
    
31. average_image2(i,j) = (...
    
32. image_gray2(i-1,j-1)+image_gray2(i-1,j)+image_gray2(i-1,j+1)+...   image_gray2(i,j-1)    +image_gray2(i,j)    +image_gray2(i,j+1)    +...
    
33. image_gray2(i+1,j-1)+image_gray2(i+1,j)+image_gray2(i+1,j+1))/9;%取中值 end
    
34. end
    
35. 
    
36. figure
    
37. subplot(321);
    
38. imshow(image_gray    ), title('the original gray image');
    
39. subplot(322);
    
40. imshow(average_image), title('the average image'); subplot(323);
    
41. imshow(image_gray1), title('the salt & pepper image'); subplot(324);
    
42. imshow(average_image1), title('the average1 image'); subplot(325);
    
43. imshow(image_gray2), title('the gaussian image'); subplot(326);
    
44. imshow(average_image2), title('the average2 image');

复制代码

2.2Verilog代码分析

1. image_template u_r_template
   
2. (
   
3.         .i_clk                        (i_clk                                ),
   
4.         .i_rst_n                (i_rst_n                        ),
   
5.         .i_en                        (i_en                                ),
   
6.         .i_data                        (i_r                                ),
   
7.         .o_en                        (                                        ),
   
8.         .o_temp_11                (r_temp_11                        ),
   
9.         .o_temp_12                (r_temp_12                        ),
   
10.         .o_temp_13                (r_temp_13                        ),        
    
11.         .o_temp_21                (r_temp_21                        ),
    
12.         .o_temp_22                (r_temp_22                        ),
    
13.         .o_temp_23                (r_temp_23                        ),               
    
14.         .o_temp_31                (r_temp_31                        ),
    
15.         .o_temp_32                (r_temp_32                        ),
    
16.         .o_temp_33                (r_temp_33                        )
    
17. );
    
18. 
    
19. image_template u_g_template
    
20. (
    
21.         .i_clk                        (i_clk                                ),
    
22.         .i_rst_n                (i_rst_n                        ),
    
23.         .i_en                        (i_en                                ),
    
24.         .i_data                        (i_g                                ),
    
25.         .o_en                        (                                        ),
    
26.         .o_temp_11                (g_temp_11                        ),
    
27.         .o_temp_12                (g_temp_12                        ),
    
28.         .o_temp_13                (g_temp_13                        ),        
    
29.         .o_temp_21                (g_temp_21                        ),
    
30.         .o_temp_22                (g_temp_22                        ),
    
31.         .o_temp_23                (g_temp_23                        ),               
    
32.         .o_temp_31                (g_temp_31                        ),
    
33.         .o_temp_32                (g_temp_32                        ),
    
34.         .o_temp_33                (g_temp_33                        )
    
35. );
    
36. 
    
37. image_template u_b_template
    
38. (
    
39.         .i_clk                        (i_clk                                ),
    
40.         .i_rst_n                (i_rst_n                        ),
    
41.         .i_en                        (i_en                                ),
    
42.         .i_data                        (i_b                                ),
    
43.         .o_en                        (                                        ),
    
44.         .o_temp_11                (b_temp_11                        ),
    
45.         .o_temp_12                (b_temp_12                        ),
    
46.         .o_temp_13                (b_temp_13                        ),        
    
47.         .o_temp_21                (b_temp_21                        ),
    
48.         .o_temp_22                (b_temp_22                        ),
    
49.         .o_temp_23                (b_temp_23                        ),               
    
50.         .o_temp_31                (b_temp_31                        ),
    
51.         .o_temp_32                (b_temp_32                        ),
    
52.         .o_temp_33                (b_temp_33                        )
    
53. );
    
54. 
    
55. always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
    
56. begin
    
57.     if(!i_rst_n)
    
58.         begin
    
59.         sum_r <= 12'd0;
    
60.         sum_g <= 12'd0;
    
61.         sum_b <= 12'd0;
    
62.     end
    
63.     else
    
64.         begin
    
65.         sum_r <= r_temp_11 +
    
66.                          r_temp_12 +
    
67.                          r_temp_13 +
    
68.                          r_temp_21 +
    
69.                          r_temp_22 +
    
70.                          r_temp_23 +
    
71.                          r_temp_31 +
    
72.                          r_temp_32 +
    
73.                          r_temp_33;
    
74.         sum_g <= g_temp_11 +
    
75.                          g_temp_12 +
    
76.                          g_temp_13 +
    
77.                          g_temp_21 +
    
78.                          g_temp_22 +
    
79.                          g_temp_23 +
    
80.                          g_temp_31 +
    
81.                          g_temp_32 +
    
82.                          g_temp_33 ;
    
83.         sum_b <= b_temp_11 +
    
84.                          b_temp_12 +
    
85.                          b_temp_13 +
    
86.                          b_temp_21 +
    
87.                          b_temp_22 +
    
88.                          b_temp_23 +
    
89.                          b_temp_31 +
    
90.                          b_temp_32 +
    
91.                          b_temp_33 ;
    
92.     end
    
93. end
    
94. 
    
95. div_gen_0 u_r_div(
    
96.     .aclk                                         (i_clk                                ),
    
97.     .s_axis_divisor_tvalid  (i_en_d[1]                        ),
    
98.     .s_axis_divisor_tdata   (8'd9                                ),
    
99.     .s_axis_dividend_tvalid (i_en_d[1]                        ),
    
100.     .s_axis_dividend_tdata  ({4'd0,sum_r[11:0]} ),
     
101.     .m_axis_dout_tvalid     (avg_r_valid                ),
     
102.     .m_axis_dout_tdata      (avg_r                                )
     
103. );
     
104. 
     
105. div_gen_0 u_g_div(
     
106.     .aclk                                         (i_clk                                ),
     
107.     .s_axis_divisor_tvalid  (i_en_d[1]                        ),
     
108.     .s_axis_divisor_tdata   (8'd9                                ),
     
109.     .s_axis_dividend_tvalid (i_en_d[1]                        ),
     
110.     .s_axis_dividend_tdata  ({4'd0,sum_g[11:0]} ),
     
111.     .m_axis_dout_tvalid     (avg_g_valid                ),
     
112.     .m_axis_dout_tdata      (avg_g                                )
     
113. );
     
114. 
     
115. div_gen_0 u_b_div(
     
116.     .aclk                                         (i_clk                                ),
     
117.     .s_axis_divisor_tvalid  (i_en_d[1]                        ),
     
118.     .s_axis_divisor_tdata   (8'd9                                ),
     
119.     .s_axis_dividend_tvalid (i_en_d[1]                        ),
     
120.     .s_axis_dividend_tdata  ({4'd0,sum_b[11:0]} ),
     
121.     .m_axis_dout_tvalid     (avg_b_valid                ),
     
122.     .m_axis_dout_tdata      (avg_b                                )
     
123. );
     
124. 
     
125. 
     
126. endmodule

复制代码

2.3 工程结构分析

我们将图像算法的模块做成 IP 后，在vivado 中进行工程的搭建，工程结构如图所示：

3 仿真及结果

3.1Matlab实验结果

3.2Modelsim实验结果

4 搭建 Vitis-sdk 工程

创建 soc_base  sdk  platform  和 APP  工程的过程不再重复，可以阅读 3-3-01_sdk_base_app。以下给出创建好 soc_base sdk platform 的截图和对应工程 APP 的截图。

4.1 创建 SDKPlatform工程

4.2SDKAPP工程

5 硬件连接

硬件连接如图所示：

6 上板实验结果

实验结果如图所示：

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