【正点原子FPGA连载】第二十四章基于OV5640的二值化实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之嵌入式开发指南_V1.2

正点原子运营 · 发表于 2020-9-9 16:00:21

本帖最后由正点原子01 于 2020-9-11 11:00 编辑

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第二十四章基于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：

1.1 简介

1.2 实验任务

1.3 硬件设计

1.4 程序设计

1.5 下载验证

简介

图像二值化（ ImageBinarization）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。

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。

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 0.1 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 0.2 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 0.3 VIP模块内部连接图

VIP模块顶层代码如下：

module Video_Image_Processor(
input clk, //cmos 像素时钟
input rst_n,
//预处理图像
input pre_image_vsync, //预处理图像场同步信号
input pre_image_clken, //预处理图像时钟使能信号
input pre_data_valid, //预处理图像数据有效信号
input [23:0] pre_image_data, //预处理图像数据
//处理后图像
output pos_image_vsync, //处理后图像场同步信号?
output pos_image_clken, //处理后图像时钟使能信号
output pos_data_valid, //处理后图像数据有效信号
output [23:0] pos_image_data //处理后图像数据
);
//wire define
wire [7:0] gray_data ;
wire ycbcb_vsync;
wire ycbcbr_clken;
wire ycbcr_valid;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//rgb转ycbcr模块
rgb2ycbcr u_rgb2ycbcr(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.rgb_vsync (pre_image_vsync),
.rgb_clken (pre_image_clken),
.rgb_valid (pre_data_valid),
.rgb_data (pre_image_data),
.ycbcb_vsync (ycbcb_vsync),
.ycbcbr_clken (ycbcbr_clken),
.ycbcr_valid (ycbcr_valid),
.gray_data (gray_data)
);
//二值化模块
binarization u_binarization(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.gray_vsync (ycbcb_vsync),
.gray_clken (ycbcbr_clken),
.gray_data_valid (ycbcr_valid),
.luminance (gray_data),
.binary_vsync (pos_image_vsync),
.binary_clken (pos_image_clken),
.binary_data_valid (pos_data_valid),
.binary_data (pos_image_data)
);
endmodule

复制代码

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：

module binarization(
//module clock
input clk ,// 时钟信号
input rst_n ,// 复位信号（低有效）
//图像处理前的数据接口
input gray_vsync ,// vsync信号
input gray_clken ,// 时钟使能信号信号
input gray_data_valid ,// 数据有效信号
input [7:0] luminance ,
//图像处理后的数据接口
output binary_vsync ,// vsync信号
output binary_clken ,// 时钟使能信号
output binary_data_valid,// 数据有效信号
output [23:0] binary_data //
);
parameter THRESHOLD = 8'd80; //二值化的阈值
//reg define
reg gray_vsync_d;
reg gray_clken_d;
reg gray_data_valid_d;
reg monoc; //monochrome（1=白，0=黑）
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
assign binary_vsync = gray_vsync_d;
assign binary_clken = gray_clken_d;
assign binary_data_valid = gray_data_valid_d;
assign binary_data = {24{monoc}};
//二值化
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
monoc <= 1'b0;
else if(luminance > THRESHOLD) //比较图像灰度值与阈值的大小
monoc <= 1'b1;
else
monoc <= 1'b0;
end
//延时1拍以同步时钟信号
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
gray_vsync_d <= 1'd0;
gray_clken_d <= 1'd0;
gray_data_valid_d <= 1'd0;
end
else begin
gray_vsync_d <= gray_vsync;
gray_clken_d <= gray_clken;
gray_data_valid_d <= gray_data_valid;
end
end
endmodule

复制代码

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。

assign binary_data = {24{monoc}};

复制代码

连线后的Block Design 如下图所示：

图 0.4 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“Includebitstream”。然后在菜单栏选择 File> Launch SDK，启动 SDK软件。

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。

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 SDKTerminal中可以看到应用程序打印的信息，如下图所示：

图 0.1 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 0.2 LCD屏显示结果

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