• 视觉信息处理与FPGA实现第八次作业——verilog实现亮度调节

    一、查看灰度图的数据格式

    1.1 安装HxD

    HxD下载链接：https://download.csdn.net/download/weixin_44357071/89045331

    解压直接打开exe就能使用。

    将需要查看二进制数据的图片拖到软件框里就能读取

    1.2 找到bmp图像的图片点阵数据起始地址，原理和例子

    从000Eh（h是16进制的意思）到0035是真的有40byte.横坐标是零到16，竖坐标是像十进制一样，把个位数空出来，然后是10,20,30.....

    图中框框里是一个byte（字节），等于8个bit，A是4位bit的16进制表示，0也是。

    如下图例子：

    0000h到000Dh是位图文件头

    000Eh到0035h是位图信息头，其中的001Ch是调色板颜色种类的位宽，这里是1，两种颜色，一种颜色需要4个字节，所以调色板需要2*4=8字节

    所以0036h到003Dh是调色板所占的字节

    003Eh及之后都是图片的点阵数据

    1.3 生成200*200的灰度图

    右键点击图片，打开方式选择“画图”

    修改尺寸为宽200，高200，即可将原来的800*800灰度图变为200*200，注意，如果颜色不改为黑白，可能会导致后续的verilog代码无法处理。

    在画图界面点击另存为 256色的位图

    1.4 选择图片的点阵数据

    0000h到000Dh是位图文件头

    000Eh到0035h是位图信息头，其中的001Ch是调色板颜色种类的位宽，这里是8，256种颜色，一种颜色需要4个字节，所以调色板需要256*4=1024字节

    所以0036h到003Dh是调色板所占的字节

    003Eh及之后都是图片的点阵数据

    二、 额外学习：对比度代码和注释，代码没跑通，后续尝试解决

    需要注意$fopen等函数的使用，要打开的文件应该放在vivado的哪个目录下。链接：

    verilog中的testbench语句——display，fopen，fread,fwrite——更新中-CSDN博客

    2.1 设计代码

    1. module contrast_adjust
    2. (
    3.     input                   clk,
    4.     input                   rst_n,
    5.     input                   image_process_start,
    6.     input       [7:0]       point_data_in,
    7.     input       [2:0]       mul_value, //range 0~7
    8.  
    9.     output  reg [7:0]       point_data_out
    10. );
    11. //----------------signal------------------
    12. //线网型，用来传递值给下一个寄存器？？
    13.     wire        [10:0]      point_data_temp0;
    14.     wire        [8:0]       point_data_temp1;
    15.     wire        [7:0]       point_data_out_processed;
    16.  
    17. /*******************image point process**********************/
    18. //-----------multiple------------
    19.     //因为乘以的数是在 0到7，所以乘以 2的3次方，temp0就需要在8位的基础上拓展到10
    20.     assign point_data_temp0 = point_data_in * mul_value;
    21.     //divide 4,这个应该是通过直接取高8位的方法，实现右移两位，除以4
    22.     //point_data_temp0[10:2] 是9位,然后通过第九位进行下一步的判断
    23.     assign point_data_temp1 = point_data_temp0[10:2]; 
    24.  
    25. //----------overflow process-----
    26.     //如果取高八位的数最高位依旧是1，即值大于等于100，那么直接给赋值到255，因为除以4了都还大于100
    27.     //否则就截取的9位再取低8位，相当于再除以2，因为判断最高位是0了，所以这个右移是无损的
    28.     assign point_data_out_processed = point_data_temp1[8]?8'b1111_1111: point_data_temp1[7:0];
    31. always @ (posedge clk or negedge rst_n)
    32.     if(!rst_n) 
    33.         point_data_out <= 0;
    34.     else if(image_process_start)
    35.         point_data_out <= point_data_out_processed;
    36.     else
    37.         point_data_out <= point_data_in;
    44. endmodule

    2.2 tb代码

    1. `timescale 1ns / 1ns
    2.  
    3. `define Clock 20
    4. module constrast_adjust_tb();
    5.  
    6. /**************************port*************************/
    7. reg                     clk;
    8. reg                     rst_n;
    9. reg     [7:0]           point_data_in;
    10. reg     [2:0]           mul_value;
    11. //reg     [7:0]           add_value;
    12. reg                     image_process_start;
    13. reg     [7:0]           bmp_data[0:50000];
    14.  
    15. wire    [7:0]           point_data_out;
    16. wire    [7:0]           bmp_data_out;
    17.  
    18. /**************************clock and reset*************************/
    19. //初始化时钟，设置时钟周期为20
    20. initial begin
    21.     clk= 1;
    22.     forever 
    23.         #(`Clock/2) clk = ~clk;
    24. end
    25.  
    26. initial begin
    27.     rst_n= 0;
    28.     #(`Clock*20+ 1);
    29.     rst_n =1;
    30. end
    31.  
    32. /**************************读取位图数据*************************/
    33. integer bmp_file_read;
    34. integer file_read;
    35. integer data_start_index;
    36. integer bmp_size;
    37.  
    38.  
    39. initial begin
    40.     //返回值bmp_file_read像是一个fd，文件标识符，在verilog里边习惯叫做句柄
    41.     //rb表示read only+ binary,只读+二进制模式
    42.     bmp_file_read= $fopen("../pic/picture.bmp","rb");
    43.     //这行代码的作用是从之前打开的名为 bmp_file_read 的文件中读取数据，
    44.     //并将读取的数据存储到 bmp_data 变量中。
    45.     file_read= $fread(bmp_data, bmp_file_read);
    46.     //找到位图数据开始的索引
    47.     data_start_index= { bmp_data[13], bmp_data[12],bmp_data[11],bmp_data[10]};
    48.     //得到bmp图像的大小
    49.     bmp_size= { bmp_data[5], bmp_data[4], bmp_data[3], bmp_data[2] };
    50. end
    51.  
    52.  
    53. /**************************输入 信号*************************/
    54. initial begin
    55.     mul_value= 3'd2;
    56. end
    58. integer index;
    59. always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
    60.     if(!rst_n)begin
    61.         index <= 0;
    62.         image_process_start <= 0;
    63.         point_data_in <= 0;
    64.     end
    65.     else if(index == data_start_index)begin
    66.         image_process_start <= 1;
    67.         index <= index + 1;
    68.         point_data_in <= bmp_data[index];
    69.     end
    70.     else begin
    71.         index <= index + 1;
    72.         point_data_in <= bmp_data[index];
    73.     end
    74. end
    76. assign bmp_data_out = point_data_out;
    78. //--------------------图像写回文件------------------
    79. integer bmp_file_write;
    80. integer file_write;
    81. initial begin
    82.     //创建文件，然后得到句柄bmp_file_write
    83.     bmp_file_write = $fopen("../pic/picture_contrast.bmp","wb");
    84. end
    85. //每一次时钟上升沿把数据写回
    86. always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
    87.     //好像意思是，不复位的情况下，传输正常进行，不知道对不对？？？？？？？？？？？？？？？？
    88.     if(rst_n)begin
    89.         if(index == 0 || index == 1)
    90.             $display("start to write bmp file");
    91.         //一直保持写数据，直到写到bmp文件大小+2，因为0和1不写数据
    92.         else if(index < bmp_size + 2)
    93.             //不理解这个为什么是%c，为什么不是%b呢???????????????????????????????????????????
    94.             //将bmp_data_out的数据写到bmp_file_write这个fd中
    95.             $fwrite(bmp_file_write,"%c",bmp_data_out);
    96.         else begin
    97.             $fclose(bmp_file_write);
    98.             $fclose(bmp_file_read);
    99.             $display("Write bmp file complete, close the file");
    100.             $finish;
    101.         end
    102.     end
    103. end
    105. contrast_adjust u_contrast_adjust(
    106.     .clk                 ( clk                 ),
    107.     .rst_n               ( rst_n               ),
    108.     .image_process_start ( image_process_start ),
    109.     .point_data_in       ( point_data_in       ),
    110.     .mul_value           ( mul_value           ),
    111.     .point_data_out      ( point_data_out      )
    112. );
    117. endmodule

    2.3 报错

    读图像应该是已经读到数据了，但是数据的输出没有找到，也更改过图像的显示宽度，有一个warning：

    WARNING: [Wavedata 42-489] Can't add object "/constrast_adjust_tb/bmp_data" to the wave window because it has 400008 bits, which exceeds the display limit of 65536 bits.  To change the display limit, use the command "set_property display_limit [current_wave_config]".

    代码的索引那一块没看懂

    最后再文件夹里面能显示图像，但是文件是空的，说明读写的文件夹没放错地方，在vivado目录的正确位置，但是数据没有正确的写入。

    2.4 报错解决方法

    vivado默认的仿真时间不够处理像素点的加和，每一个时钟周期才给输出文件写入一个像素点的数据。

    所以延长仿真时间就可以，点击下图1处，几秒之后数据处理完毕再点击2处，停止仿真就可以。

    三、亮度调节的代码和注释

    某段代码的注释

    1.   //以后就默认黑白的256色的图就是这个数据
    2.   bmp_width = {bmp_data[21],bmp_data[20],bmp_data[19],bmp_data[18]};
    3.   bmp_hight = {bmp_data[25],bmp_data[24],bmp_data[23],bmp_data[22]};
    4.   data_start_index = {bmp_data[13],bmp_data[12],bmp_data[11],bmp_data[10]};
    5.   bmp_size = {bmp_data[5],bmp_data[4],bmp_data[3],bmp_data[2]};

    全部代码

    1. //Created on March 10,2020. 2023-03-26,1s=1000ms=10^6us=10^9ns
    2. //  400x400=160000,T=10ns, set Simulation time  20 0000 0ns=2ms
    3. `timescale 1 ns/1 ns
    4. module image_brightness_adjust_tb;
    5. integer fileId, cc,out_file,i;
    6. reg [7:0] bmp_data [0:500000];
    7. reg [7:0] bmp_data_add [0:500000];
    8. reg clk;
    9. //这个应该是灰度的数据
    10. reg [7:0] data;
    11. integer bmp_width, bmp_hight, data_start_index, bmp_size;
    12.  
    13. integer temp,index;
    14. //----------------------
    15. initial 
    16. begin
    17.  
    18.  //fileId = $fopen("E:\\Class_ex\\modelsim\\read_bmpfile_br_adj\\400x400gray.bmp","rb");
    19.  fileId = $fopen(".\\400x400gray.bmp","rb");
    20.   //out_file = $fopen("E:\\Class_ex\\modelsim\\read_bmpfile_br_adj\\output_file.bmp","wb");
    21.   out_file = $fopen(".\\output_file.bmp","wb");
    22.   //这里是将fileID的值，以比特进行索引，写到bmp_data里面
    23.   cc = $fread(bmp_data, fileId);
    24.   $display("%d",cc);
    25.   //以后就默认黑白的256色的图就是这个数据
    26.   bmp_width = {bmp_data[21],bmp_data[20],bmp_data[19],bmp_data[18]};
    27.   bmp_hight = {bmp_data[25],bmp_data[24],bmp_data[23],bmp_data[22]};
    28.   data_start_index = {bmp_data[13],bmp_data[12],bmp_data[11],bmp_data[10]};
    29.   bmp_size = {bmp_data[5],bmp_data[4],bmp_data[3],bmp_data[2]};
    30.  // copy bmp file's (1)(2)(3) parts
    31.  //这是是位图的灰度数据之前的部分，
    32. for(index=0;index
    33.    bmp_data_add[index]=bmp_data[index];
    35. //这个是灰度数据的部分，亮度加30
    36. // pixels add 30
    37. for(index=data_start_index;index<=bmp_size;index=index+1)
    38.              begin 
    39.               temp=bmp_data[index];
    40.               //if((bmp_data[index]<245) &(bmp_data[index]>105)) bmp_data_add[index]=bmp_data[index]+10;
    41.               //if(bmp_data[index]<8'd200) bmp_data_add[index]=bmp_data[index]+8'd10;
    42.              
    43.                if(temp+8'd30>8'd255) bmp_data_add[index]=8'd255;                
    44.                else  bmp_data_add[index]=bmp_data[index]+8'd30; 
    45.              end
    46.   
    47. //write data to file
    48.     for(i=0;i
    49.      begin
    50.         @(posedge clk)
    51. 	 $fwrite(out_file,"%c",bmp_data_add[i]);
    52.         //%b Binary ; //%h,file size:81KB;%c, 41KB,bmp format
    53.       end
    55. $fclose(fileId);
    56. $fclose(out_file);   
    57. end
    59. //------------------------------------------------
    60. initial 
    61.     begin
    62.         i=0;
    63.     end
    64. //------------------------------
    65. // always@(posedge clk )
    66. //   begin
    67. //     data<=bmp_data[i];
    68. //     // i<=i+1;
    69. //   end
    71. //--------------------------------------
    72. initial 
    73. begin
    74.     clk =1; 
    75.   forever #5 clk=~clk; // T=10ns,f=100MHz
    76. end
    77. endmodule

    四、效果展示

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