深刻认识Shift RAM学习笔记

FPGA

` 本帖最后由 ninghechuan 于 2017-8-31 10:57 编辑

在对数字图像进行处理过程中，我们用到了均值滤波，中值滤波。Sobel边缘检测等这些算法，这里的核心部分就是生成3x3矩阵，在FPGA中生成3x3矩阵有以下三种方法：

（1）通过2个或者3个RAM的存储来实现3X3像素窗口；

（2）通过2个或者3个FIFO的存储来实现3X3像素窗口；

（3）通过2行或者3行Shift_RAM的存储来实现3X3像素窗口；

很显然Shift RAM简直就是为生成矩阵而生的，记得博主我第一次接触这个Shift RAM的时候有很多地方都不是很明白，所以专门写一篇文章总结一下，这里我主要是想写Xilinx这个IP Core使用方法，但之前是先接触的Intel PSG，所以按Intel的手册写可能会容易理解一些。

在进行图像处理算法中，往往需要生成图像像素矩阵，这对于C语言来说可以直接用数据表示，但是对于verilog来说便不是那么容易了，硬件描述语言不比软件，它的核心不再算法，而是在于设计思想，加速硬件。在进行图像的滤波算法时，需要生成3x3矩阵，而altera的IP shift_ram 简直就是为矩阵运算而生的。下面便进行shift_ram的学习。

手册还是尽量看英文原版的比较好，刚开始是会比较痛苦，看习惯了就会发现，就是那么一些熟悉的单词，句子也很好理解，比较手册又不是文章。

这段话的意思是，这个IP支持一个时钟周期移位一个或多个bit的数据，位宽是可以设置的。

下面这个图是shift_ram的移位示意图，开始我一直以为是这个IP每存储三个数据就会进行移位到下一行，如果这样想当一行图像数据传过来的时候，显然如果是均值滤波的话，这是将第一行的数据进行了取中值操作，这样显然是不符合滤波的原理的。那么从这个图上所表达的貌似就是这个意思，为什么会出现这种矛盾。这也是一直困惑我的地方，还是手册没有好好看，手册上说的很清楚，图下一幅图所示。

看Note所表明的，这里设置的行数是4行，每行的distance是3，所以便出现了这样的移位寄存，所以手册还是要仔细阅读的，我刚开始就是因为闲手册太麻烦便草草了事，后来实践证明，还是等弄清楚原理在下手操作，磨刀不误砍柴工。

当然手册中也给了仿真例程

数据输入输出宽度为8bit，设置4行，选择每行宽度为3，添加使能和复位

如上图顺序可以容易看出，shift_ram的工作方式是移位存储，后一个数据将前一个数据往前推，当填满一行的时候，跳到下一行再继续移位存储，相应的第一行的数据填满之后，会填上矩阵的第一行的数据，滤波是同时的，如果进行均值滤波的话显然这样目标像素会是0，以此类推，第二行移位存储完成，刚开始第一行的每一个像素点是目标像素，但是第三行还没有数据，所以第一行的目标像素滤波后显然是不准确的，等到把第三行数据填满后，进行原本第二行的滤波，这时目标像素周围均有数据，所以均值滤波会使图像的边缘不清楚。

这是将每一行的宽度设置成3，如果将宽度设置为640,800等分辨率的宽度，那么生成3x3矩阵岂不是十分方便。同样的还可以生成5x5、7x7等矩阵用于图像处理的算法研究。

XilinxVivado也有自己的Shift_RAM IP Core，不过这里只能缓存出来一行数据，我们这里需要两个Shift_RAM IP Core和正在输入的一行数据共同组成3行数据。这里调用两个Shift_RAMIP Core将这两个IP级联起来就行了。

对于硬件进行图像处理的算法研究只能进行一些简单的算法处理，对于更加复杂的算法处理，还是要在软件上实现。最近了解到卷积神经网络（CNN），在人工智能领域异常火爆，基于大数据的机器学习，深度学习，FPGA最擅长的就是高速处理数据，在后大数据时代，我相信一定会有FPGA的一个重要地位。

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图像处理系列文章

第一篇：基于FPGA的静态图片显示

第二篇：基于FPGA彩色图像转灰度算法实现

第三篇：基于FPGA的Uart发送图像数据到VGA显示

第四篇：基于FPGA的均值滤波算法实现

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