FPGA实现任意角度视频旋转（二）视频90度/270度无裁剪旋转

news2025/9/17 7:26:52

本文主要介绍如何基于FPGA实现视频的90度/270度无裁剪旋转，关于视频180度实时旋转，请见本专栏前面的文章，旋转效果示意图如下：
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为了实时对比旋转效果，采用分屏显示进行处理，左边代表旋转前的视频在屏幕中的位置，右边代表旋转后的视频在屏幕中的位置。 分屏显示的实现方式见本专栏前面的文章详解。

本旋转方案不仅仅适用于国产安路FPGA，只有板卡上带有支持AXI4总线操作DDR的IP核，均可以进行方案移植

一、前言

后续文章的工程代码不在免费上传至Github，方案是开源的，工程代码可以私信我或者是评论区留言，有偿提供（价格不贵，此文章对应的工程文件为￥50）。前面已经发布的文章方案和代码均是开源的，可以直接去github下载。
免费内容太容易被剽窃了，付费是某种意义上的版权保护
付费即意味着责任，有利于提高文章质量、同时也能提高更新动力。

二、设计概述

除去DDR3控制器、FIFO等常用IP，本设计所用到的主要的IP模块如下。

IP	功能	来源
uidbuf	基于FDMA信号时序的缓存控制器适合用于基于RGB时序的视频数据或者数据流传输	米联客
uiFDMA	基于AXI总线的自定义内存控制器简化AXI总线的控制，完成数据的搬运	米联客
uidbuf_w_active_rotate	在uidbuf的基础上进行更改用于视频90度/270度旋转	个人开发
uivtc_video_rotate_90	在uivtc的基础上进行更改读取两路视频，一路是旋转之前的视频，一路是旋转之后的视频	个人开发

三、系统实现方案

3.1 理论分析

在实现视频90/270度旋转时，我们无法像前面的文章那样，在使用AXI4总线读写DDR时，把突发长度为一整行的像素量。

由于原始视频在经过旋转后，对应的像素点位置不在是连续的，因此我们不得不考虑把突发长度设置为1进行像素点的写入/读取。

根据现在可以找到的有关FPGA实现视频任意角度旋转的文章可以得知，在进行视频旋转时，我们可以采用正向映射/逆向映射两种方式进行视频旋转的处理。

在进行视频任意角度旋转时（比如31度），为了保证旋转后的视频无空洞，需要采用逆向映射的旋转方案进行处理（下一篇文章介绍任意角度旋转实现方案）。

在视频处理中，对于 90 度或 270 度的旋转操作较为常见。由于视频像素点在完成这类旋转后，其排列呈现出明显的规律性，因此针对这类旋转的处理方式，我们可以采用正向映射的方案进行处理，把输入进的待旋转视频数据依次写入旋转后对应的像素点位置。

3.2 数据流框图

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为了处理输入进的60hz的待旋转视频，视频像素点的数据流如上图所示，其经历了三进三出DDR3，最终输出至显示器进行显示。

第一次读写DDR3：由于输入进来的视频为60帧的帧率，如果直接对视频进行逐像素点写入，是处理不过来的。（具体我们的板卡能实现多高的处理速率，取决于我们使用的DDR控制器IP从发起写请求到一个像素点完全写入需要的时间，这个需要自行计算一下）因此，第一次缓存的目的是把输入进来的视频数据先存进DDR3，以一个较低的帧率读出像素数据至旋转处理模块。
第二次读写DDR3：把刚刚读出的经过降帧的数据，进行90度/270度旋转处理，然后存进DDR,并以较低的帧率读出
第三次读写DDR3：把刚刚读出的经过降帧的并且是旋转后数据，再次存进DDR,然后就可以以正常的60帧读出进行显示。

上述处理的核心在于旋转模块的实现。

3.3 uidbuf_w_active_rotate模块

此模块采用正向映射的方法进行90度/270度旋转，把待旋转的数据依次写入到像素点旋转后对应的位置
模块接口如下，相比于uibuf模块，不同的部分用红框圈出。
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此方案中，使用AXI4总线读写DDR时，AXI4总线的数据宽度为128，像素点的数据位宽为16，因为DDR3采用的是8-bit预取，DDR3的位宽配置为16bit，所以在突发长度为1的情况下，一次可以读出8个16bit数据（128bit），在常规情况下，一次能读出8个像素点数据。