基于FPGA实现固定倍率的图像缩放

基于FPGA硬件实现固定倍率的图像缩放，将2维卷积运算分解成2次1维卷积运算，对输入原始图像像素先进行行方向的卷积，再进行列方向的卷积，从而得到输出图像像素。把图像缩放过程设计为一个单元体的循环过程，在单元体内部，事先计算出卷积系数。降低了FPGA设计的复杂性，提高了图像缩放算法的运算速度，增强了系统的实时性，已经应用于某款航空电子产品中，应用效果良好。 基于FPGA实现固定倍率的图像缩放是一种高效、实时的图像处理技术，它通过将复杂的2维卷积运算拆分为两次1维卷积运算来简化设计，首先在行方向上进行卷积，随后在列方向上进行，以此达到缩放目的。这种方法降低了FPGA设计的复杂性，同时提高了运算速度，确保了系统的实时性。 图像缩放是图像处理中的基本操作，用于调整图像的尺寸，使其适应不同的显示设备和应用需求。在航空电子领域，由于图像处理系统的高要求，硬件实现图像缩放成为首选，因为它可以提供更高的分辨率和更强的实时性。FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其可编程性和内置的硬件资源（如PLL、乘法器和存储器）成为实现这种功能的理想平台。 固定倍率的图像缩放算法中，输出图像的每个像素F(x, y)是输入图像f(x, y)像素矩阵中对应位置的2维卷积结果。卷积系数s(i, j)决定了邻域像素的相关程度，而邻域范围则影响着算法的运算速度。为了优化FPGA实现，2维卷积被分解为两个1维过程，这样可以减少计算复杂性，提高处理速度。 在FPGA实现的图像缩放功能结构中，卷积计算模块是关键，它接收输入像素和系数，进行两次卷积运算。控制模块是核心逻辑，负责协调各个部分的工作，可以选择逆向映射或顺向映射方式来确定输入像素坐标。逆向映射需要较大的输入缓存，以保持输入和输出时钟同步，而顺向映射则利用输入像素的时序，减少了存储需求。 在实际设计中，为了简化控制模块和硬件结构，可以将图像缩放过程划分为多个单元体，每个单元体内预先计算好卷积系数。例如，若要将每行720个像素放大到768个像素，那么15个输入像素可以作为一个单元体，对应16个输出像素。这样，设计一个15状态的状态机就足以处理所有情况。通过这种方式，可以有效降低设计难度，同时保证处理效率。 以768x576的输入图像放大到1024x768为例，该过程会先对输入图像的每一行进行卷积，然后在列方向上进行同样的处理。通过这种方法，能够得到所需尺寸的输出图像，且由于采用了固定倍率，整个过程可以精确控制，确保了输出图像的质量。 基于FPGA实现固定倍率的图像缩放通过巧妙地分解2维卷积运算，优化了硬件资源的使用，提升了处理速度，满足了航空电子等对实时性要求高的领域的需求。这种方法不仅降低了设计复杂度，还为实现其他复杂图像处理任务提供了基础，是现代嵌入式系统中图像处理的重要技术之一。