FPGA图像处理—基于双线性插值的图像放大

        上一章介绍了如何在FPGA中使用最近邻插值的方法实现图像的放大，本章继续介绍如何在FPGA中使用双线性插值的方法从而实现对图像的放大。

        首先更正上一章的一个错误，29%的RAM资源消耗是1280×1024的图像，对于640×512的图像实际RAM资源消耗是15%。

        放大示意图如下图所示，首先根据不同的放大倍数得到原图像A中小图b的左上角起始坐标，然后通过双线性插值得到放大后的图像B，图像B的尺寸与原图像A大小一致。

        双线性插值原理的介绍网上很多，这里不做介绍，直接上公式。

         其中B为放大之后的图像，i为B图像的横坐标，j为B图像的纵坐标，  A为放大之前的原图，A(x,y)、A(x+1,y)、A(x,y+1)、A(x+1,y+1)分别为双线性插值计算需要的4个点，u、v为相对距离，计算公式如下。

        FPGA的优势在于可以对图像进行流水处理，从而实现算法加速，而公式1需要同时取到原图像中4个点才能进行，因此可以对公式1进行相应的变换，首先在列上进行处理，然后再在行上进行处理，变换后的公式如下。

        变换之后u、v是分开的，因此可以首先在列上进行处理，即根据公式2计算得到的坐标位置进行如下运算。

        列上计算完成之后进行图像行上的运算，计算公式如下。

        根据上面的公式既可以完成基于双线性插值的图像放大操作。

        程序一共分为3个模块，第一个模块根据公式4首先完成每一行内即列上插值像素的处理，第二个模块根据公式2计算图像中心区域左上角起始坐标位置(up,left)，第三个模块根据计算公式5完成图像的缓存以及对应行图像的提取。

        程序的接口如下图所示。

信号名	信号含义
Img_W	图像宽
Img_H	图像高
Pixel_Size	像素位宽
Clk_Freq	像素时钟频率
Img_Freq	图像帧频
Line_Spac	行消隐
Line_Front	行前肩
Line_Back	行后肩
clk	像素时钟
Zoom_Sel	放大倍数，支持1.1~32倍无极放大，1.1倍放大对应Zoom_Sel为11，以此类推
img_v_i	输入图像场同步信号
img_h_i	输入图像行有效信号
img_pix_i	输入图像数据
img_v_o	输出图像场同步信号
img_h_o	输出图像行同步信号
img_pix_o	输出图像数据

        对于大小为640×512的图像，在K7-325T中资源消耗情况如下所示。

        放大2.8倍的FPGA仿真时序图如下图所示。

        下图是放大2.8倍，原图、matlab放大效果图以及fpga放大效果图对比如下所示。

        放大4.5倍的FPGA仿真时序图如下图所示。放大倍数越大，处理完的图像输出延时越大，但是均能保证当帧实时处理。

        下图是放大4.5倍，原图、matlab放大效果图和fpga放大效果图。

        下一章继续介绍，在FPGA中用双三次插值实现无极放大。

        需要FPGA和Matlab源码的可以加微信L_cola1。