FPGA實現圖像中心差分變換

　　差分圖像就是目標場景在連續時間點圖像相減所構成的圖像,廣義的差分圖像定義為目標場景在時間點tk和tk+L所成圖像的差別。差分圖像是由目標場景在相鄰時間點的圖像相減得到的，從而能夠得到目標場景隨時間的變換。

　　差分圖像在許多領域得到了廣泛的應用，比如：視頻壓縮，生物醫學診斷，天文學，遙感，人臉識別等。

 

——FPGA開源工作室

一、MATLAB實現

 1、主文件 img_diff.m

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%                       中心差分變換
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clc;
clear all;
RGB  = imread('flower.bmp');        %讀取圖像
Gray = rgb2gray(RGB);
Diff = mipcentraldiff(Gray,'dx');

subplot(2,2,1);imshow(RGB); title('原圖');
subplot(2,2,3);imshow(Gray);title('灰度圖');
subplot(2,2,4);imshow(Diff);title('中心差分變換');

2、子文件 mip1centraldiff.m

%--------------------------------------------------------------------------
%     img:          input image
%     direction:    'dx' or 'dy'
%     dimg:         resultant image
%--------------------------------------------------------------------------
function dimg = mipcentraldiff(img,direction)
img = padarray(img,[1,1],'symmetric','both');
[row,col] = size(img);
dimg = zeros(row,col);
switch(direction)
    case'dx',
        dimg(:,2:col-1)= (img(:,3:col)-img(:,1:col-2))/2;
    case'dy',
        dimg(2:row-1,:)= (img(3:row,:)-img(1:row-2,:))/2;
    otherwise
        disp('Direction is unknown');
end
dimg = dimg(2:end-1,2:end-1);

3、運行結果

　　在主文件 img_diff.m 中點擊運行，得到如下結果：

 

二、FPGA實現

　　FPGA中同樣采用灰度分量 Y 來實現中心差分變換，對於如何實現灰度分量Y，可以查看前面的博客介紹。我們可以將公式變一下形，如下所示：

　　I_x = [I(x+2h) - I(x)] / 2h

　　取 h 的值為1，則公式變成 I_x = [I(x+2) - I(x)] / 2 

1、打拍

　　和前面 FPGA 實現浮雕效果一樣，通過打拍實現像素值的延遲，代碼如下所示：

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//==                        打拍
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always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        {Y_de_r2,   Y_de_r1   } <= {1'b0,1'b0};
        {Y_hsync_r2,Y_hsync_r1} <= {1'b0,1'b0};
        {Y_vsync_r2,Y_vsync_r1} <= {1'b0,1'b0};
        {Y_data_r2, Y_data_r1 } <= {8'b0,8'b0};
    end
    else begin
        {Y_de_r2,   Y_de_r1   } <= {Y_de_r1,   Y_de   };
        {Y_hsync_r2,Y_hsync_r1} <= {Y_hsync_r1,Y_hsync};
        {Y_vsync_r2,Y_vsync_r1} <= {Y_vsync_r1,Y_vsync};
        {Y_data_r2, Y_data_r1 } <= {Y_data_r1, Y_data };
    end
end

2、中心差分變換

　　對着公式寫代碼即可，除以 2 的操作我們采用右移 1 位來實現。

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//==                        中心差分變換
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always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        diff_data <= 8'd0;
    end
    else begin
        diff_data <= (Y_data_r2 - Y_data) >> 1;
    end
end

3、信號同步

　　這個說了很多遍了，直接將打拍后的信號賦值出去即可。

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//==                        信號同步
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assign diff_de = Y_de_r2;
assign diff_hsync = Y_hsync_r2;
assign diff_vsync = Y_vsync_r2;

 

三、上板驗證

　　最后在 FPGA 開發板的 TFT 屏中，我們得到如下的實驗結果：

　　從結果可以看出，大體和 MATLAB 中的效果一樣，但是有細微的差別，這是因為 (Y_data_r2 - Y_data) 的計算結果可能為負數或奇數，如果要達到完美，公式還得繼續改造，這個圖像變換比較簡單，不想廢心思了，有興趣的同學可以自己嘗試看看。

　　此外也可以將中心差分變換的算法移植到 RGB 三通道，實現彩色輸出的中心差分變換。

 

參考資料：[1] OpenS Lee：FPGA開源工作室（公眾號）