来源：OpenFPGA
图像处理中最常用的技术之一是使用滑动窗口滤波器，该滤波器在图像上滑动一个 nxn 矩阵并对中心像素进行操作。
对像素执行的操作可以从简单的delta函数到更复杂的操作，例如边缘检测或边缘增强。
实际上我比较喜欢使用一些高级综合工具进行算法设计，例如HLS和 Matlab Simulink。对于图像处理的算法设计，它们会自动构建这些滤波器基础的滑动窗口函数，所以这些工具会加速图像处理算法的设计和开发。
但是作为工程师，我们在利用这些高级工具的同时，也需要能够理解底层的概念和原理。当我们使用更小、资源更受限的设备时，能够从头开始设计和实现相关算法。
滑动窗口滤波器的关键要素之一是其能够滑动 n x n 个像素。这意味着，如果我们要实现 3x3 滑动窗口过滤器，我们需要能够缓冲至少两行像素的内容，这样我们便能够处理在窗口上滑动的滤波器。
本文中，我们将了解如何创建一个简单的 3x3 窗口。此滑动窗口的输出是窗口的 9 个像素值。然后，我们就可以进行例如中值滤波、边缘增强等后续算法操作。
由于使用Xilinx芯片较多，所以我们的开发基于AXIS 接口。
滑动窗口的一个常见问题是如何处理图像边缘周围的像素数据。为了确保框架具有我们需要处理的正确大小，最简单的方法之一是用零填充。
首先，我们定义将要使用行缓冲区。
-- Line buffer type type t_line_buffer is array (0 to g_IMG_WIDTH-1) of std_logic_vector(g_TDATA_WIDTH-1 downto 0); -- Line buffers to store two rows of pixels signal s_line1, s_line2 : t_line_buffer;
设置好了行缓冲区后，下一步就是提供“滑动”功能。
由于我们要使用 AXI Streaming接口，模块会通过下游“背压”。如果有效信号被置位，并且USER信号指示新帧的开始，则内部计数器将被复位。
-- Shift window registers s_r13 <= s_r12; s_r12 <= s_r11; s_r11 <= i_s_axis_tdata; s_r23 <= s_r22; s_r22 <= s_r21; s_r21 <= s_line1(s_pixel_count); s_r33 <= s_r32; s_r32 <= s_r31; s_r31 <= s_line2(s_pixel_count);
如果像素是某一行的最后一个像素，则重置该行的像素数。
if i_s_axis_tlast = '1' then s_pixel_count <= 0; if s_row_count = g_IMG_HEIGHT-1 then s_row_count <= 0; else s_row_count <= s_row_count + 1; end if; else s_pixel_count <= s_pixel_count + 1; end if;
最后一个是处理边缘情况，当顶部或边缘时像素填充 0x00。
s_233 <= s_r22; if s_row_count = 0 then s_w11 <= (others => '0'); s_w12 <= (others => '0'); s_w13 <= (others => '0'); else s_w11 <= s_r11 when s_pixel_count /= 0 else (others => '0'); s_w12 <= s_r12; s_w13 <= s_r13 when s_pixel_count /= g_IMG_WIDTH-1 else (others => '0'); end if; -- Middle row padding s_w21 <= s_r21 when s_pixel_count /= 0 else (others => '0'); s_w23 <= s_r23 when s_pixel_count /= g_IMG_WIDTH-1 else (others => '0'); -- Bottom row padding if s_row_count = g_IMG_HEIGHT-1 then s_w31 <= (others => '0'); s_w32 <= (others => '0'); s_w33 <= (others => '0'); else s_w31 <= s_r31 when s_pixel_count /= 0 else (others => '0'); s_w32 <= s_r32; s_w33 <= s_r33 when s_pixel_count/= g_IMG_WIDTH-1 else (others => '0'); end if;
编写 RTL 后，下一步就是进行仿真，尤其测试边缘情况。
该模块的输出是 3x3 网格中的 9 个像素，接下来就是进行图像处理操作，例如中值滤波或者边缘增强等操作，我们将在后续的文章进行讲解。
本文项目地址：https://github.com/ATaylorCEngFIET/MZ581
