实验四：图像灰度处理

news2025/6/9 12:14:17

实验四图像处理实验报告

实验目的

在实验三的基础上，将图片显示在显示器上，并进行灰度处理。

实验内容

原理描述

1. 图片的分辨率、尺寸和位深度

分辨率：每英寸内有多少个像素点（如dpi、lpi、ppi），决定了图像细节度。
尺寸：图片的像素长和宽，如640×480表示宽640像素、高480像素。
位深度：每个像素用多少位(bit)表示，如24位能表示2^24种颜色。

2. 图片数据导入方法

方法一：用Matlab将图片转为三维矩阵，提取RGB分量，按GRB565格式拼接，写入.coe文件。
方法二：用BMP2Mif等工具将图片直接转为.coe文件。
过程：
1. 用BMP2Mif生成.coe文件。
2. 在Vivado生成ROM IP核，导入.coe。
3. 设置RGB格式，VGA扫描显示图像。

3. VGA显示与灰度处理原理

通过VGA协议分时扫描输出RGB信号。
用IP核ROM存放图片像素数据，VGA扫描时顺序读出。
灰度处理：将彩色像素转为灰度级像素，简化显示效果。

Verilog HDL设计源代码

module vga_tu(
    input clock, 
    output reg [3:0] red,    // R
    output reg [3:0] green,  // G
    output reg [3:0] blue,   // B
    output hsync,            // 行同步信号
    output vsync             // 场同步信号
);
    reg [9:0] hcount;     // 行计数
    reg [9:0] vcount;     // 场计数
    wire hcount_ov;       // 是否完成一行
    wire vcount_ov;       // 是否完成一场
    wire dat_act;         // 是否在显示区域
    reg vga_clk;          // VGA时钟分频
    reg clk_tmp;

    // VGA时序参数
    parameter hsync_end = 10'd95,
              hdat_begin = 10'd143,
              hdat_end = 10'd783,
              hpixel_end = 10'd799,
              vsync_end = 10'd1,
              vdat_begin = 10'd34,
              vdat_end = 10'd514,
              vline_end = 10'd524;

    // 时钟分频
    always @(posedge clk_tmp) 
        vga_clk <= ~vga_clk;
    always @(posedge clock)
        clk_tmp <= ~clk_tmp;

    // 行扫描
    always @(posedge vga_clk) begin
        if (hcount_ov)
            hcount <= 10'd0;
        else
            hcount <= hcount + 10'd1;
    end
    assign hcount_ov = (hcount == hpixel_end);

    // 场扫描
    always @(posedge vga_clk) begin
        if (hcount_ov) begin
            if (vcount_ov)
                vcount <= 10'd0;
            else
                vcount <= vcount + 10'd1;
        end
    end
    assign vcount_ov = (vcount == vline_end);

    assign dat_act = ((hcount >= hdat_begin) && (hcount < hdat_end)) &&
                     ((vcount >= vdat_begin) && (vcount < vdat_end));
    assign hsync = (hcount > hsync_end);
    assign vsync = (vcount > vsync_end);

    // 判断是否在图片显示区域
    wire now_show;
    assign now_show = ((hcount <= 199 + hdat_begin) && (hcount >= 0) && (vcount <= 125 + vdat_begin) && (vcount >= 0));

    // 导入IP核
    reg [14:0] addra;
    wire [15:0] douta;
    blk_mem_gen_0 your_instance_name (
        .clka(vga_clk),    
        .addra(addra),       // 像素点计数
        .douta(douta)        // 图片颜色信息
    );

    // R灰度处理
    wire [15:0] R_grey;
    assign R_grey = {douta[15:11], douta[15:11], 1'b0, douta[15:11]};

    // 图片显示及灰度处理
    always @(posedge vga_clk) begin
        if(dat_act) begin         // 在显示区域
            if(now_show) begin    // 在图片显示区域
                red   <= R_grey[15:12];
                green <= R_grey[10:7];
                blue  <= R_grey[4:1];
                if(addra == 25200 - 1)   // 图片大小为250x600
                    addra <= 0;
                else
                    addra <= addra + 1;
            end
        end
    end
endmodule

XDC文件配置

set_property PACKAGE_PIN D8 [get_ports {blue[3]}]
set_property PACKAGE_PIN D7 [get_ports {blue[2]}]
set_property PACKAGE_PIN C7 [get_ports {blue[1]}]
set_property PACKAGE_PIN B7 [get_ports {blue[0]}]
set_property PACKAGE_PIN A6 [get_ports {green[3]}]
set_property PACKAGE_PIN B6 [get_ports {green[2]}]
set_property PACKAGE_PIN A5 [get_ports {green[1]}]
set_property PACKAGE_PIN C6 [get_ports {green[0]}]
set_property PACKAGE_PIN A4 [get_ports {red[3]}]
set_property PACKAGE_PIN C5 [get_ports {red[2]}]
set_property PACKAGE_PIN B4 [get_ports {red[1]}]
set_property PACKAGE_PIN A3 [get_ports {red[0]}]
set_property PACKAGE_PIN E3 [get_ports clock]
set_property PACKAGE_PIN B11 [get_ports hsync]
set_property PACKAGE_PIN B12 [get_ports vsync]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {blue[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {blue[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {blue[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {blue[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clock]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports vsync]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {green[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {green[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {green[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {green[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {red[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {red[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {red[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {red[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports hsync]