【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

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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