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[资料] 【正点原子FPGA连载】第二十六章基于OV5640的二值化实验-领航者ZYNQ之嵌入式开发教程
2020-9-5 15:52:25  50 正点原子FPGA
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第二十六章基于OV5640的二值化实验

在数字图像处理中,二值图像占有非常重要的地位,图像的二值化使图像中数据量大为减少,还能凸显出目标的轮廓。图像二值化在计算机视觉、图像分割以及人工智能等方面有着广泛应用。在本章节我们将进行基于OV5640的二值化实验。
本章包括以下几个部分:
234567891011121314151617181920212223242526272626.1简介
26.2实验任务
26.3硬件设计
26.4程序设计
26.5下载验证
26.1简介
图像二值化( Image Binarization)就是将图像上的像素点的灰度值设置为最大(白色)或最小(黑色),也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程。这里我们以8Bit表示的灰度图像为例(灰度值的范围为0~255),二值化就是通过选取适当的阈值,与图像中的256个亮度等级进行比较。亮度高于阈值的像素点设置为白色(255),低于阈值的像素点设置为黑色(0),从而明显地反映出图像的整体和局部特征。
在数字图像处理中,二值图像占有非常重要的地位,特别是在实时的图像处理中,通过二值图像处理实现而构成的系统是很多的。要进行二值图像的处理与分析,首先要把灰度图像二值化,得到二值化图像,这样有利于在对图像做进一步处理时,图像的集合性质只与像素值为0或255的点的位置有关,不再涉及像素的多级值,使处理变得简单,而且数据的处理和压缩量小。为了得到理想的二值图像,一般采用封闭、连通的边界定义不交叠的区域。所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物体,其灰度值为255表示,否则这些像素点被排除在物体区域以外,灰度值为0,表示背景或者例外的物体区域。
实现二值化有两种方法,一种是手动指定一个阈值,通过阈值来进行二值化处理;另一种是一个自适应阈值二值化方法(OTSU算法和Kittle算法等)。使用第一种方法计算量小速度快,但在处理不同图像时颜色分布差别很大;使用第二种方法适用性强,能直接观测处图像的轮廓,但相对计算更复杂。本章节实验我们将使用第一种方法来实现图像的二值化。
如果某特定物体在内部有均匀一致的灰度值,并且其处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景下,使用制定阈值的方法,可以得到比较有效的分割效果。如果物体同背景的差别表现不在灰度值上(比如纹理不同),可以将这个差别特征转换为灰度的差别,然后利用阈值选取技术来分割该图像。
26.2实验任务
用OV5640摄像头采集RGB565数据,将数据转化成Ycbcr格式,然后进行灰度二值化,并通过LCD屏显示。
26.3硬件设计
本次实验我们是基于“OV5640摄像头LCD显示实验”进行图像处理的,实验的系统框图与“OV5640摄像头LCD显示实验”基本相同,我们只是添加了“VIP(video image process)”模块,实验系统框图如下:

图 26.3.1 系统框图

图中“RGB转Ycbcr”模块与“OV5640摄像头LCD显示实验”相同,其作用就是为了将RGB565数据转化成Ycbcr的数据,便于提取灰度。“二值化”模块用于实现灰度图像的二值化。
下图是VIP(video image process)在“Block Design”中的链接图:


图 26.3.2 基于OV5640的二值化实验原理图

VIP(video image process)模块调用了“rgb2ycbcr”和“binarization”两个模块,下图是VIP内部,“rgb2ycbcr”和“binarization”模块的连接图:

图 26.3.3 VIP模块内部连接图

VIP模块顶层代码如下:
  • 1 module Video_Image_Processor(
  • 2 input clk, //cmos 像素时钟
  • 3 input rst_n,
  • 4
  • 5 //预处理图像
  • 6 input pre_image_vsync, //预处理图像场同步信号
  • 7 input pre_image_clken, //预处理图像时钟使能信号
  • 8 input pre_data_valid, //预处理图像数据有效信号
  • 9 input [23:0] pre_image_data, //预处理图像数据
  • 10
  • 11 //处理后图像
  • 12 output pos_image_vsync, //处理后图像场同步信号?
  • 13 output pos_image_clken, //处理后图像时钟使能信号
  • 14 output pos_data_valid, //处理后图像数据有效信号
  • 15 output [23:0] pos_image_data //处理后图像数据
  • 16
  • 17 );
  • 18
  • 19 //wire define
  • 20 wire [7:0] gray_data ;
  • 21 wire ycbcb_vsync;
  • 22 wire ycbcbr_clken;
  • 23 wire ycbcr_valid;
  • 24
  • 25 //*****************************************************
  • 26 //** main code
  • 27 //*****************************************************
  • 28 //rgb转ycbcr模块
  • 29 rgb2ycbcr u_rgb2ycbcr(
  • 30 .clk (clk),
  • 31 .rst_n (rst_n),
  • 32
  • 33 .rgb_vsync (pre_image_vsync),
  • 34 .rgb_clken (pre_image_clken),
  • 35 .rgb_valid (pre_data_valid),
  • 36 .rgb_data (pre_image_data),
  • 37
  • 38
  • 39 .ycbcb_vsync (ycbcb_vsync),
  • 40 .ycbcbr_clken (ycbcbr_clken),
  • 41 .ycbcr_valid (ycbcr_valid),
  • 42 .gray_data (gray_data)
  • 43 );
  • 44
  • 45 //二值化模块
  • 46 binarization u_binarization(
  • 47 .clk (clk),
  • 48 .rst_n (rst_n),
  • 49
  • 50
  • 51 .gray_vsync (ycbcb_vsync),
  • 52 .gray_clken (ycbcbr_clken),
  • 53 .gray_data_valid (ycbcr_valid),
  • 54 .luminance (gray_data),
  • 55
  • 56
  • 57 .binary_vsync (pos_image_vsync),
  • 58 .binary_clken (pos_image_clken),
  • 59 .binary_data_valid (pos_data_valid),
  • 60 .binary_data (pos_image_data)
  • 61 );
  • 62
  • 63 endmodule


有关“rgb2ycbcr”模块,大家可以参考OV5640摄像头灰度图显示实验,在此我们就不再介绍。
“binarization”模块的代码如下:
  • 1 module binarization(
  • 2 //module clock
  • 3 input clk ,// 时钟信号
  • 4 input rst_n ,// 复位信号(低有效)
  • 5
  • 6 //图像处理前的数据接口
  • 7 input gray_vsync ,// vsync信号
  • 8 input gray_clken ,// 时钟使能信号信号
  • 9 input gray_data_valid ,// 数据有效信号
  • 10 input [7:0] luminance ,
  • 11
  • 12 //图像处理后的数据接口
  • 13 output binary_vsync ,// vsync信号
  • 14 output binary_clken ,// 时钟使能信号
  • 15 output binary_data_valid,// 数据有效信号
  • 16 output [23:0] binary_data //
  • 17 );
  • 18
  • 19 parameter THRESHOLD = 8'd80; //二值化的阈值
  • 20
  • 21 //reg define
  • 22 reg gray_vsync_d;
  • 23 reg gray_clken_d;
  • 24 reg gray_data_valid_d;
  • 25 reg monoc; //monochrome(1=白,0=黑)
  • 26
  • 27 //*****************************************************
  • 28 //** main code
  • 29 //*****************************************************
  • 30
  • 31 assign binary_vsync = gray_vsync_d;
  • 32 assign binary_clken = gray_clken_d;
  • 33 assign binary_data_valid = gray_data_valid_d;
  • 34 assign binary_data = {24{monoc}};
  • 35
  • 36 //二值化
  • 37 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  • 38 IF(!rst_n)
  • 39 monoc <= 1'b0;
  • 40 else if(luminance > THRESHOLD) //比较图像灰度值与阈值的大小
  • 41 monoc <= 1'b1;
  • 42 else
  • 43 monoc <= 1'b0;
  • 44 end
  • 45
  • 46 //延时1拍以同步时钟信号
  • 47 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  • 48 if(!rst_n) begin
  • 49 gray_vsync_d <= 1'd0;
  • 50 gray_clken_d <= 1'd0;
  • 51 gray_data_valid_d <= 1'd0;
  • 52 end
  • 53 else begin
  • 54 gray_vsync_d <= gray_vsync;
  • 55 gray_clken_d <= gray_clken;
  • 56 gray_data_valid_d <= gray_data_valid;
  • 57 end
  • 58 end
  • 59
  • 60 endmodule


在代码的第19行,我们定义了一个parameter类型的参数THRESHOLD,它是二值化过程中所设定的阈值。我们将灰度值与该阈值比较,用变量monoc寄存比较的结果。若灰度值大于该阈值则monoc为1,若小于阈值,则monoc为0,如代码第36到44行所示。理论上阈值可以是0到255中的任意值,但阈值过大,会提取多余的部分;而阈值过小,又会丢失所需的部分,因此阈值选取是影响实验的一个重要因素。
代码第46到58行,我们通过寄存操作对gray_vsync、gray_clken等信号作了一个时钟周期的延迟。这是因为在进行二值判定时消耗了一个时钟,因此相应的同步信号也要延迟一个时钟周期,以实现与数据的同步。
需要注意的是,代码中变量monoc的0和1表示的灰度与阈值比较的结果,而并不是像素的灰度值,我们需要根据monoc的值来给指定像素点的颜色。如代码第34行所示,binary_data 为24’h0表示黑色,为24’hff_ffff表示白色。
34 assign binary_data = {24{monoc}};
连线后的 Block Design 如下图所示:

图 26.3.4 Block Design整体示意图

接下来验证当前设计。验证完成后弹出对话框提示没有错误或者关键警告,点击“OK”。如果验证结果
报出错误或者警告,则需要重新检查设计。
为工程添加的约束文件与“OV5640 摄像头 LCD 显示”完全相同,有关这一部分内容请读者参考“OV5640 摄像头 LCD 显示”实验。
最后在左侧 Flow Navigator 导航栏中找到 PROGRAM AND debug,点击该选项中的“ Generate
Bitstream”,对设计进行综合、实现、并生成 Bitstream 文件。在生成 Bitstream 之后,在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware 导出硬件, 并在弹出的对话框
中,勾选“Include bitstream”。然后在菜单栏选择 File > Launch SDK, 启动 SDK 软件。
26.4软件设计
本实验软件设计部分与“OV5640摄像头LCD显示”实验相同,在此处就不做赘述,有需要的朋友可以参考“OV5640摄像头LCD显示”实验软件设计部分。
26.5下载验证
编译完工程之后我们就可以开始下载程序了。将 OV5640 摄像头模块插在启明星 Zynq 开发板的“OLED/CAMERA”插座上,并将 LCD 的排线接头插入开发板上的 LCD 接线座。将下载器一端连电脑,
另一端与开发板上的 JTAG 端口连接,连接电源线并打开电源开关
在 SDK 软件下方的 SDK Terminal 窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验硬件
设计过程中所生成的 BIT 文件,来对 PL 进行配置。最后下载软件程序,下载完成后, 在下方的 SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息,如下图所示:

图 26.5.1 串口打印信息窗口

同时, RGB LCD 液晶屏上显示出 OV5640 摄像头采集的图像的灰度图,说明本次 OV5640 摄像头 RGB LCD 屏显示的实验在启明星 ZYQN 开发板上验证成功,如下图所示:

图 26.5.2 LCD屏显示结果



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