直方图均衡（Verilog）——基于Vivado和modelsim联合仿真

简介

为了入门Verilog图像处理，熟悉modelsim的仿真是必不可少的，因此选择将直方图均衡作为一个上手项目，使用vivado对zynq进行开发，配合modelsim进行仿真，在此过程中需要借助matlab进行数据处理和结果展示。

原理

直方图均衡原理

数据预处理

预处理借助matlab实现，因为modelsim可以读取txt文件，可以利用matlab将图像转为txt文件，再利用modelsim读取txt文件进行仿真。
首先，如果使用的图像不是灰度图，就需要将图像转换为灰度图

%将RGB888格式的图像转为灰度图像
clear;clc;

image=imread("lena.png");

%imshow(image),title('原始图片');

gray=rgb2gray(image);
imwrite(gray,"./gray.jpg");

imshow(gray)

然后将灰度图转为txt文件

%将灰度格式的图像转为8bit的hex格式
clear;clc;

file_path="./image_gray.txt";
file=fopen(file_path,"w");

image=imread("gray.jpg");

imshow(image),title('图片');

[image_width,image_height,channel]=size(image);

for x=1:image_height
    for y=1 : image_width
          fprintf(file,'%d\n',image(x,y));
    end
end
fclose(file);

转换后可以打开image_gray.txt文件查看数据，可以发现其实际上就是将图像中的灰度值每一行存一个的方式存入txt文件中。

代码

顶层模块

顶层模块中使用了三个RAM ip核，用于存储数据：u_transform256x8存储映射关系、Ram32x256存储灰度直方图、u_image_mem存储原始图像，均衡化之后的图像并没有存储在FPGA里面，而是完成映射关系的计算之后直接输出了。这里有两个自定义模块：histogram负责计算直方图，并将直方图存储到Ram32x256中、reflect实现映射关系的计算并将映射关系存储到u_transform256x8中。顶层模块的主体是一个三个状态的状态机：

1. 状态000：将外部输入的灰度值存入u_image_mem中，对图像进行存储，同时计算灰度直方图。其内部也是一个状态机：
   整个top模块的忙信号wen管脚如果为1，则根据histogram的wea管脚进行拉低，因为该管脚意味着histogram模块已经完成计算，整个模块进入空闲状态。
   1. 状态0：等待外部输入的灰度值，如果外部输入灰度值并且pin_clken为高电平，则将灰度值作为u_image_mem写入数值，并且自增u_image_mem的写入地址，并且灰度值作为histogram的输入和Ram32x256的读出地址，拉高top模块的wen管脚进入忙状态，进入状态001；
   2. 状态1：检查histogram模块的忙信号，如果处于空闲状态就拉高其写入信号pin_clken_hist，使能u_image_mem的写入，将灰度值写入对应的位置上，返回状态0。
      Ram32x256的写入受控于histogram模块，histogram根据输入的灰度值读取Ram32x256中的数值，然后加1再次写入，实现直方图的计算。
2. 状态001：在这个状态下，top模块的wen一直拉高，因为接来都在进行映射计算，因此不能接收下一帧图像。在这里面也有也给状态机：
   1. 状态0：此时Ram32x25