Xilinx UltraScale系列FPGA纯verilog图像缩放，工程项目解决方案，提供2套工程源码和技术支持

1、前言

没玩过图像缩放都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。目前市面上主流的FPGA图像缩放方案如下：
1：Xilinx的HLS方案，该方案简单，易于实现，但只能用于Xilinx自家的FPGA；关于HLS实现图像缩放请，参考我之前写的文章HLS实现图像缩放点击查看：
HLS图像缩放
2：非纯Verilog方案，大部分代码使用Verilog实现，但中间的fifo或ram等使用了IP，导致移植性变差，难以在Xilinx、Altera和国产FPGA之间自由移植；
3：纯Verilog方案，也就是本方案，一个字：牛逼！！！

工程概述

本文使用Xilinx的UltraScale系列FPGA纯verilog代码实现图像缩放；输入视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用廉价的OV5640摄像头模组或者板载HDMI输入；如果你的手里没有摄像头，或者你的开发板没有摄像头接口，则可使用FPGA内部逻辑生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的parameter参数配置，默认使用ov5640作为视频源；FPGA首先对输入摄像头做i2c配置；然后采集输入视频；然后对输入视频做图像缩放操作；图像缩放模块可实现任意比例缩放，支持领域插值和双线性插值2种算法，通过模块顶层参数选择，默认使用双线性插值；缩放后的图像使用本博主常用的FDMA图像缓存架构进行图像缓存，本设计用DDR4做缓存介质实现3帧缓存；缩放后的视频最好进行缓存操作，因为缩放后原本的视频时序已经被打乱，不缓存的话直接读出基本是错误且不对齐的数据，导致输出的图像是乱码；缓存图像从DDR4读出后经过Native时序生成模块输出标准的VGA时序视频，然后经过纯verilog显示的RGB转HDMI模块输出HDMI差分视频；最后送显示器显示即可；本纯verilog图像缩放方案一共移植了16套工程源码，涵盖了目前市面上主流的FPGA平台；本博文介绍其中基于Xilinx UltraScale系列FPGA的2套工程，详情如下：

这里说明一下提供的4套工程源码的作用和价值，如下：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx–Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；输入视频源为OV5640摄像头模组或者FPGA内部逻辑生成的动态彩条；视频源的选择通过代码顶层的parameter参数配置，默认使用ov5640作为视频源；FPGA首先对OV5640摄像头做i2c配置，本设计将OV5640摄像头分辨率配置为1280x720@30Hz；然后采集输入视频，将2个时钟1个像素的RGB565转换为1个时钟1个像素的RGB888图像；然后对输入视频做图像缩放操作，将原视频从1280x720缩放到1920x1080，您可修改缩放参数轻松缩放到其他分辨率，工程只是举例，修改方法博客有说明；缩放后的图像使用本博主常用的FDMA图像缓存架构进行图像缓存，本设计用DDR4做缓存介质实现3帧缓存；缓存图像从DDR4读出后经过Native时序生成模块输出标准的VGA时序视频，输出有效分辨率为1920x1080@60Hz，为了兼容缩放后的其他分辨率，本设计将背景分辨率设计为1920x1080，缩放后的图像叠加在其上显示即可，这也是本博主的创新点；输出然后经过纯verilog显示的RGB转HDMI模块输出HDMI差分视频；最后送显示器显示即可；该工程适用于Xilinx UltraScale系列FPGA做图像缩放相关应用；

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx–Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；输入视频为板载的HDMI输入接口，使用笔记本电脑模拟HDMI输入设备连接到开发板HDMI输入接口；HDMI解码方式为ADV7611芯片方案；FPGA纯verilog实现的i2c配置模块完成ADV7611配置，本设计将分辨率配置为1920x1080@60Hz，ADV7611输出RGB888视频流，FPGA采集到视频后打两拍以实现同步；然后对输入视频做图像缩放操作，将原视频从1920x1080缩放到1280x720，您可修改缩放参数轻松缩放到其他分辨率，工程只是举例，修改方法博客有说明；缩放后的图像使用本博主常用的FDMA图像缓存架构进行图像缓存，本设计用DDR4做缓存介质实现3帧缓存；缓存图像从DDR4读出后经过Native时序生成模块输出标准的VGA时序视频，输出有效分辨率为1280x720@60Hz，为了兼容缩放后的其他分辨率，本设计将背景分辨率设计为1920x1080，缩放后的图像叠加在其上显示即可，这也是本博主的创新点；输出然后经过纯verilog显示的RGB转HDMI模块输出HDMI差分视频；最后送显示器显示即可；该工程适用于Xilinx UltraScale系列FPGA做图像缩放相关应用；

本博客详细描述了FPGA高端项目：Xilinx UltraScale系列的纯verilog图像缩放工程解决方案的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网以及其他开源免费获取渠道等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；部分模块源码转载自上述网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

FPGA高端图像处理培训

鉴于目前的FPGA就业和行业现状，本博推出了FPGA高端图像处理培训计划；该计划旨在让一部分人先学会FPGA纯verilog图像缩放，提高从业者的技术水平和工资待遇，详细计划如下：

2、相关方案推荐

我这里已有的FPGA图像缩放方案

我的主页目前有FPGA图像缩放专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像缩放方案，从实现方式分类有基于HSL实现的图像缩放、基于纯verilog代码实现的图像缩放；从应用上分为单路视频图像缩放、多路视频图像缩放、多路视频图像缩放拼接；从输入视频分类可分为OV5640摄像头视频缩放、SDI视频缩放、MIPI视频缩放等等；以下是专栏地址：
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本方案在Xilinx Artix7 系列FPGA上的应用

本方案适应于所有FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7020、紫光同创、高云等平台，本文讲述的是在Xilinx Kintex7 系列FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Artix7 系列FPGA的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在Xilinx Kintex7 系列FPGA上的应用

本方案适应于所有FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7020、紫光同创、高云等平台，本文讲述的是在Xilinx Artix7 系列FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Kintex7 系列FPGA的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在Xilinx Zynq7000 系列FPGA上的应用

本方案适应于所有FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7020、紫光同创、高云等平台，本文讲述的是在Xilinx Artix7 系列FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Zynq7000 系列FPGA的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在国产FPGA紫光同创系列上的应用

本方案适应于所有FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7020、紫光同创、高云等平台，本文讲述的是在Xilinx Artix7 系列FPGA上的应用，想要直接应用于国产FPGA紫光同创系列FPGA的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在国产FPGA高云系列上的应用

本方案适应于所有FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7020、紫光同创、高云等平台，本文讲述的是在Xilinx Artix7 系列FPGA上的应用，想要直接应用于国产FPGA高云系列FPGA的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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3、设计思路框架

设计框图

本博客提供2套vivado工程源码，设计框图如下：

输入视频之–>OV5640摄像头+动态彩条

输入视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用廉价的OV5640摄像头模组；如果你的手里没有摄像头，或者你的开发板没有摄像头接口，则可使用FPGA内部逻辑生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的parameter参数配置，默认使用ov5640作为视频源；模块顶层接口如下：

parameter SENSOR_TYPE = 0；输出ov5640的视频
parameter SENSOR_TYPE = 1；输出动态彩条的视频

OV5640摄像头需要i2c初始化配置，本设计配置为1280x720@30Hz分辨率，本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能；此外，OV5640摄像头还需要将2个时钟1个像素的RGB565转换为1个时钟1个像素的RGB888图像；动态彩条则由FPGA内部逻辑实现，由纯verilog代码编写；模块代码架构如下：

输入视频之–>HDMI解码芯片+动态彩条

输入视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用板载的HDMI输入视频接口；如果你的开发板没有HDMI输入接口，则可使用FPGA内部逻辑生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的parameter参数配置，默认使用板载的HDMI输入视频接口；使用笔记本电脑接入HDMI输入接口，以模拟输入Sensor；本设计的HDMI解码方案为专用芯片ADV7611；FPGA纯verilog实现的i2c配置模块完成ADV7611配置，本设计将分辨率配置为1920x1080@60Hz，IT6802输出RGB888视频流；模块顶层接口如下：

parameter SENSOR_TYPE = 0；则输出HDMI接口采集的视频；
parameter SENSOR_TYPE = 1；则输出动态彩条的视频；
整个模块代码架构如下：

图像缩放模块详解

图像缩放模块功能框图如下，由跨时钟FIFO、插值+RAM阵列构成，跨时钟FIFO的目的是解决跨时钟域的问题，比如从低分辨率视频放大到高分辨率视频时，像素时钟必然需要变大，这是就需要异步FIFO了，插值算法和RAM阵列具体负责图像缩放算法层面的实现；

插值算法和RAM阵列以ram和fifo为核心进行数据缓存和插值实现，设计架构如下：

依据上图，图像缩放模块内部核心是例化了4个双口RAM，作用是缓存4行图像，以得到4个临近的像素，以此为基础做线性插值；如果是做图像放大操作，就以这4个临近的像素为基准，以线性插值为算法，在原图像中插入更多的像素点来扩大分辨率；如果是做图像缩小操作，就以这4个临近的像素为基准，以线性插值为算法，在原图像中删除更多的像素点来缩小分辨率；此外，前面描述的工作是实时的、整幅图像全部扫描式的进行，所以需要对RAM的读写操作进行精准控制；

图像缩放模块代码架构如下：模块的例化请参考工程源码的顶层代码；

图像缩放模块FIFO的选择可以调用工程对应的vivado工具自带的FIFO IP核，也可以使用纯verilog实现的FIFO，可通过接口参数选择，图像缩放模块顶层接口如下：

FIFO_TYPE选择原则如下：
1：总体原则，选择"xilinx"好处大于选择"verilog"；
2：当你的FPGA逻辑资源不足时，请选"xilinx"；
3：当你图像缩放的视频分辨率较大时，请选"xilinx"；
4：当你的FPGA没有FIFO IP或者FIFO IP快用完了，请选"verilog"；
5：当你向自学一下异步FIFO时，，请选"verilog"；
6：不同FPGA型号对应的工程FIFO_TYPE参数不一样，但选择原则一样，具体参考代码；

2种插值算法的整合与选择
本设计将常用的双线性插值和邻域插值算法融合为一个代码中，通过输入参数选择某一种算法；
具体选择参数如下：

input  wire i_scaler_type //0-->bilinear;1-->neighbor

通过输入i_scaler_type 的值即可选择；

输入0选择双线性插值算法；
输入1选择邻域插值算法；

代码里的配置如下：

图像缩放模块使用（重点阅读）

图像缩放模块使用非常简单，顶层代码里设置了四个参数，如下：

上图是将输入视频分辨率从1280x720缩放为1920x1080；
如果你想将输入视频分辨率从1280x720缩放为640x480；
则只需修改为如下：

再比如你想将输入视频分辨率从1280x720缩放为960x540；
则只需修改为如下：


在本博主这里，想要实现图像缩放，操作就是这么无脑简单，就该两个参数就能搞定貌似高大上的双线性插值图像缩放，这种设计、这种操作、这种工程源码，你还喜欢吗？

图像缩放模块仿真

图像缩放模块需要vivado和matlab联合仿真；
需要注意的是，仿真的目的是为了验证，这一步我已经替你们做完了，所以读者不再需要单独仿真，如果读者是在需要自己仿真玩玩儿，需要自己写仿真代码；vivado和matlab联合仿真详细步骤如下：
第一步：网上下载一张1280X720的图片，并用matlab将图片转换为RGB格式的txt文档；
第二步：在vivado下设计tstbench，将RGB格式的txt文档作为视频输入源给到图像缩放模块，并将缩放后的图像数据写入输出txt文档；
第二步：用matlab将输出txt文档转换为图片，并于原图一并输出显示以做比较；
根据以上方法得到以下仿真结果：
双线性插值算法原图1280X720缩小到800x600如下：

邻域插值算法原图1280X720缩小到800x600如下：

双线性插值算法原图1280X720放大到1920x1080如下：

邻域插值算法原图1280X720放大到1920x1080如下：

FDMA​图像缓存

FDMA图像缓存架构实现的功能是将输入视频缓存到板载DDR3中再读出送后续模块，目的是实现视频同步输出，实现输入视频到输出视频的跨时钟域问题，更好的呈现显示效果；由于调用了Xilinx官方的MIG作为DDR控制器，所以FDMA图像缓存架构就是实现用户数据到MIG的桥接作用；架构如下：

FDMA图像缓存架构由FDMA控制器+FDMA组成；FDMA实际上就是一个AXI4-FULL总线主设备，与MIG对接，MIG配置为AXI4-FULL接口；FDMA控制器实际上就是一个视频读写逻辑，以写视频为例，假设一帧图像的大小为M×N，其中M代表图像宽度，N代表图像高度；FDMA控制器每次写入一行视频数据，即每次向DDR4中写入M个像素，写N次即可完成1帧图像的缓存，读视频与之一样；同时调用两个FIFO实现输入输出视频的跨时钟域处理，使得用户可以AXI4内部代码，以简单地像使用FIFO那样操作AXI总线，从而达到读写DDR的目的，进而实现视频缓存；本设计图像缓存方式为3帧缓存；图像缓存模块代码架构如下：

基于FDMA的图像缓存架构在Block Design设计中如下：

HDMI视频输出架构

缓存图像从DDR4读出后经过Native时序生成模块输出标准的VGA时序视频，然后经过纯verilog显示的RGB转HDMI模块输出HDMI差分视频；最后送显示器显示即可；需要注意的是，UltraScale系列FPGA不支持oserdese2原语，所以只能用oserdese3原语实现10 bit串化，基于此，本博主提供的RGB转HDMI模块可支持7系列、ULTRASCALE系列FPGA、ULTRASCALE_PLUS系 FPGA，顶层代码如下：

代码例化如下：

工程源码架构

提供2套工程源码，以工程源码1为例，工程Block Design设计如下：

提供2套工程源码，以工程源码1为例，综合后的工程源码架构如下：

工程编译后资源消耗低、功耗低、时序收敛，符合工程项目应用要求，如下：

上图只是举例，资源消耗并非本工程的实际消耗，实际消耗请看下文的《工程代码详解》；

配套的FPGA开发板

由于Xilinx UltraScale系列FPGA开发板价格普片较贵，所以暂不推荐具体的开发板。。。

4、工程代码1详解：KU060，OV5640输入版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：OV5640摄像头或者FPGA内部动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；
输出：HDMI，RTL纯逻辑编码方案，输出分辨率1920x1080@60Hz；
图像缩放方案：纯Verilog图像缩放；
图像缩放实例：1280x720缩放到1920x1080，其他分辨率缩放可自行修改；
图像缓存方案：FDMA图像缓存+DDR3颗粒+图像3帧缓存；
实现功能：FPGA实现纯verilog图像缩放；
工程作用：掌握FPGA实现纯verilog图像缩放的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程代码2详解：KU060，HDMI输入版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：HDMI或者FPGA内部动态彩条，ADV7611芯片解码方案，分辨率1920x1080@60Hz，笔记本电脑模拟输入源；
输出：HDMI，RTL纯逻辑编码方案，输出分辨率1280x720@60Hz；
图像缩放方案：纯Verilog图像缩放；
图像缩放实例：1920x1080缩放到1280x720，其他分辨率缩放可自行修改；
图像缓存方案：FDMA图像缓存+DDR3颗粒+图像3帧缓存；
实现功能：FPGA实现纯verilog图像缩放；
工程作用：掌握FPGA实现纯verilog图像缩放的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

7、上板调试验证并演示

准备工作

需要如下器材设备：
1、FPGA开发板；推荐适用本博主配套的开发板；
2、OV5640摄像头或HDMI输入设备，比如笔记本电脑，两者都没有则使用动态彩条；
2、HDMI连接线和显示器；

图像缩放案例1输出演示

我将ov5640摄像头和动态彩条原图从1280x720缩小到800x600输出的视频剪辑整理后如下：
视频前半段为动态彩条原图从1280x720缩小到800x600输出；
视频前后段为ov5640摄像头原图从1280x720缩小到800x600输出；

图像缩放案例2输出演示

我将ov5640摄像头和动态彩条原图从1280x720放大到1920x1080输出的视频剪辑整理后如下：
视频前半段为动态彩条原图从1280x720放大到1920x1080输出；
视频前后段为ov5640摄像头原图从1280x720放大到1920x1080输出；

图像缩放案例3输出演示

我将HDMI输入和动态彩条原图从1920x1080缩小到1280x720输出的视频剪辑整理后如下：
左边视频为笔记本1920x1080的原视频；
右边视频为FPGA缩放到1280x720的视频；

8、福利：工程源码获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：