CN112135073A - 一种基于fpga的图像字符叠加方法 - Google Patents

一种基于fpga的图像字符叠加方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的图像字符叠加方法，包括：以图像的预设像素位置为起始点依次遍历单个字符区域的起始点；根据预设第一映射表，判断起始点所属字符区域是否需要叠加字符，根据预设第一映射表，获取字符区域需要叠加的字符内容；根据字符内容属性获取字符区域实际叠加的字符内容；根据实际叠加的字符内容查找第二映射表，获取叠加字符位图信息的内存地址数据；根据内存地址数据遍历读取叠加字符位图信息中的每个像素数据，并遍历写入到图像像素。本发明仅使用FPGA内部很少的资源，即可实现图像的实时高效的字符信息叠加，且叠加位置、叠加内容和叠加字符显示可以灵活适应字符叠加需求。

Description

一种基于FPGA的图像字符叠加方法
技术领域
本发明涉及及FPGA视频处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的图像字符叠加方法。
背景技术
随着视频技术的广泛应用，视频字符叠加技术也得到了空前发展。视频字符叠加是在视频图像的特定位置显示字符信息，提供辅助提示信息。
常规叠加字符信息的方法是使用软件实现，基于ARM或者CPU上进行，将一帧完整图像缓存到存取存储器空间再字符叠加，处理一幅图片需要花费数十毫秒的时间甚至更久，处理效率低，无法适用于更高帧率的视频字符叠加，且需要非常大的存取存储器空间资源缓存完整的图像；
对于常规叠加字符方法的改进，采用FPGA进行图像字符叠加，比如采用FPGA的寄存器存储器存储叠加的字符,每一个字符分配独立的寄存器存储器，导致占用大量的FPGA内存资源，且叠加位置、叠加内容以及叠加字符显示方法不能灵活适应不同叠加需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于FPGA的图像字符叠加方法，包括如下步骤：
(1)以图像的预设像素位置为起始点依次遍历单个字符区域的起始点；
(2)根据预设第一映射表，判断起始点所属字符区域是否需要叠加字符，若是，进入步骤(3)，否则继续遍历单个字符区域的起始点；
(3)根据预设第一映射表，获取字符区域需要叠加的字符内容；
(4)判断字符内容属性，根据字符内容属性获取字符区域实际叠加的字符内容；
(5)根据实际叠加的字符内容查找第二映射表，获取叠加字符位图信息的内存地址数据；
(6)根据内存地址数据遍历读取叠加字符位图信息中的每个像素数据，并遍历写入到图像像素。
作为上述方案的进一步优化，所述第一映射表中的数据以key-value形式存储，所述key域数据为在整个字符叠加区域中单个字符区域的起始点，所述value域数据为叠加字符内容或者为空。
作为上述方案的进一步优化，所述在整个字符叠加区域中每个字符区域的起始点，是以整个字符叠加区域的左上角(x0,y0)为参考点，起始点与参考点的相对坐标位置。
作为上述方案的进一步优化，还包括在步骤(1)之前建立用于存储叠加字符位图信息的字库，所述建立方法为：
根据预设单个字符位图的宽度确定FPGA内部的RAM的位宽，单个字符位图的一行数据存入RAM的一个地址中；
采用一个RAM存储一个字符位图或者拓展一个RAM的地址空间实现一个RAM存储多个字符位图；
采用第一预设位地址位对单个字符进行寻址编码，加上第二预设位地址位对单个字符的每一行数据寻址编码。
作为上述方案的进一步优化，所述第二映射表的key域数据为叠加字符内容，所述value域数据为单个叠加字符寻址编码的起始地址。
作为上述方案的进一步优化，所述第一预设位地址位的大小根据字库中存储的字符总数确定，所述第二预设位地址位的大小根据单个字符位图的数据行数确定。
作为上述方案的进一步优化，所述单个字符的位图宽度和高度为32×32像素，所述RAM的位宽为36bit,深度为1024。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤(4)，若字符内容属性为静态数据，则直接以步骤(3)获得的叠加字符内容作为实际叠加的字符内容，若字符内容为动态数据，则根据步骤(3)获得的叠加字符内容到图像动态数据中提取实际叠加的字符内容。
作为上述方案的进一步优化，所述图像动态数据包括图像拍摄时产生的附加属性信息。
作为上述方案的进一步优化，所述叠加字符的位图信息在数据库中存储时采用1bit存储每个像素的颜色信息，0和1分别表示前景色和背景色，所述叠加字符的位图信息在写入图像时，根据用户自定义配置数据显示叠加字符的前景色和背景色或者根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色同时以当前像素的背景色为叠加字符的背景色。
作为上述方案的进一步优化，所述根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色的方法为：
当图像为黑白图像时：
若背景灰度值≥128时，叠加字符显示黑色；
当背景灰度值<128时，叠加字符显示白色；
当图像为彩色图像时：
根据RGB值某个单通道值是否超过128来自动显示黑色或白色。
本发明的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，具备如下有益效果：
1.本发明通过在FPGA中内部的RAM中建立字库，该字库中存储字符位图信息，基于字符位图采用32*32像素，既可以让用户看清叠加字符，又可以在字库存储时，不至于浪费存储单元的地址空间，采用将字符位图存入存入位宽36bit深度为1024的RAM，通过拓展一个RAM的内存地址，实现一个RAM可以存储32个字符位图信息，实现仅使用FPGA内部很少的资源，即可实现图像的实时高效的字符信息叠加。
2.本发明通过在字库中以1bit存储每个字符位图的颜色信息，进一步减少FPGA内存资源的消耗。
3.本发明通过在遍历图像时，通过建立的第一映射表，以整个叠加字符区域的左上角(x0,y0)为参考点，根据单个字符位图的宽度和高度信息，确定单个字符区域的起始点位置，该起始点位置为与参考点的相对坐标位置，实现在图像的任意位置作为叠加字符区域时，均可以准确获取单个字符区域的位置并对该字符区域判断是否需要叠加字符以及具体叠加内容，实现灵活设置字符叠加在图像中的位置。
4.本发明通过在根据第一映射表获取叠加字符内容后，判断字符内容的属性，确定该字符区域添加动态数据还是静态数据，并根据不同属性数据对应的不同方法获取实际叠加字符内容，根据第二映射表获取实际叠加字符的RAM内存地址，实现在图像上叠加动态字符。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的图像字符叠加方法的整体流程框图；
图2为图1中建立字库的方法流程框图；
图3为图2建立字库方法的一个实施例；
图4为图1中获取实际叠加字符内容的方法流程框图；
图5-1为一个字符的原始图像存储形式，图5-2为图5-1的字符在本发明字库中的位图存储形式。
具体实施方式
下面以具体实施例和附图对本发明的技术方案进一步说明。
本发明实施例提供了一种基于FPGA的图像字符叠加方法，包括如下步骤：
根据图像需要叠加的所有字符在FPGA内RAM中建立用于存储叠加字符位图信息的字库，考虑到字库在RAM占用资源大小和叠加字符在图像中显示时便于识别这两者之间的平衡，本发明实施例中的字库建立方法为：
确定预设单个字符的位图宽度和高度，根据预设单个字符位图的宽度确定FPGA内部的RAM的位宽，单个字符位图的一行数据存入RAM的一个地址中，优选的单个字符的位图宽度和高度为32×32像素，既可以让用户看清叠加字符，又可以在字库存储时，不至于浪费存储单元的地址空间，对应的RAM采用位宽为36bit,深度为1024的RAM，单个字符位图的一行数据为32bit；
采用一个RAM存储一个字符位图或者拓展一个RAM的地址空间实现一个RAM存储多个字符位图，具体的当采用一个RAM存储一个字符位图时，多个字库，使用多个RAM，当调用不同字库时，使能需要的RAM，当采用拓展一个RAM的地址空间实现一个RAM存储多个字符位图时，一个36K的RAM资源，通过扩展地址空间，可寻址1024个36bit的存储数据，那么仅1个36K的RAM就可以存放1024/32＝32个字符，已经可以满足一般的图像叠加需求，资源消耗极少。
采用第一预设位地址位对单个字符进行寻址编码，加上第二预设位地址位对单个字符的每一行数据寻址编码，所述第一预设位地址位的大小根据字库中存储的字符总数确定，所述第二预设位地址位的大小根据单个字符位图的数据行数确定，比如，字库中存储的叠加字符位图个数为32个，则第一预设位地址位可采用5位地址位，单个叠加字符位图的高度为32时，第二预设位地址位可采用5为地址位，此时单个字符位图的寻址编码为10位地址位。
在建立完字库的基础上，建立第二映射表，该第二映射表的key域数据为叠加字符内容，所述value域数据为单个叠加字符寻址编码的起始地址。
基于上述字库的建立方法，实现可以使用最小的资源来实现实时的字符叠加，最大可能减少FPGA中RAM资源的消耗。
在对图像像素遍历叠加叠加字符之前，还需要建立第一映射表，具体为：
根据图像需要叠加的所有字符信息，确定整个叠加字符区域的字符显示样式，即在该显示区域的字符行数以及字符列数，以及每一行的每一列显示的字符内容；
在此基础上，以整个叠加字符区域的左上角(x0,y0)为参考点，根据单个字符位图的宽度和高度信息，确定单个字符区域的起始点位置，该起始点位置为与参考点的相对坐标位置，这样，在对图像进行遍历时，可以在图像的任意位置作为叠加字符区域，只要以图像的任意位置的坐标设为参考点(x0,y0)，就可以遍历获取每个字符区域的起始点，确定每个字符区域是否需要叠加字符以及具体叠加的字符内容；
然后建立第一映射表，表中的数据以key-value形式存储，key域数据为在整个字符叠加区域中单个字符区域的起始点位置，value域数据为叠加字符内容或者为空。
在字库、第一映射表和第二映射表建立完成后，进行图像的遍历以及图像字符的叠加，具体为：
(1)以图像的预设像素位置为起始点依次遍历单个字符区域的起始点；
(2)根据预设第一映射表，判断起始点所属字符区域是否需要叠加字符，若是，进入步骤(3)，否则继续遍历单个字符区域的起始点；
(3)根据预设第一映射表，获取该字符区域需要叠加的字符内容；
(4)判断字符内容属性，根据字符内容属性获取该字符区域实际叠加的字符内容；
(5)根据实际叠加的字符内容查找第二映射表，获取叠加字符位图信息的内存地址数据；
(6)根据内存地址数据遍历读取叠加字符位图信息中的每个像素数据，并遍历写入到图像像素。
上述步骤(4)中，若字符内容属性为静态数据，则直接以步骤(3)获得的叠加字符内容作为实际叠加的字符内容，若字符内容为动态数据，则根据步骤(3)获得的叠加字符内容到图像动态数据中提取实际叠加的字符内容，图像动态数据包括图像拍摄时产生的附加属性信息，比如图像的EXIF信息。
基于上述，本发明实施例中，叠加字符区域在图像中的位置可任意选择，并且叠加字符的内容是可以动态变化的，具体为根据图像拍摄时产生的附加属性信息确定，实现了更加灵活的字符叠加。
以整个叠加字符区域的样式如下表1所示：
Figure BDA0002670291560000051
Figure BDA0002670291560000061
表1整个叠加字符区域
则其中的拍摄时间后面的具体时间如59秒这个信息中的“5”“9”所对应的字符内容为动态数据，当遍历获取到该字符区域的起始点时，通过第一映射表查询到该区域需要叠加字符，且叠加字符内容为动态数据，则到图像的时间戳信息中提取“秒”，获取实际需要叠加的字符内容为“5”“9”，然后根据第二映射表查找到“5”在FPGA的RAM字库中位图信息的内存地址数据，即单个叠加字符寻址编码的起始地址，然后根据该起始地址到RAM字库遍历获取该字符位图的每一行数据，并以该叠加字符在图像的起始位置开始遍历写入，写入完成后继续遍历下个叠加字符区域在图像中的起始点，判断起始点是否所属像素区域是否需要叠加字符。
对于上述技术方案进一步优化，本发明实施例中，对于叠加字符在图像上的显示颜色配置进行优化，具体的：
叠加字符的位图信息在数据库中存储时采用1bit存储每个像素的颜色信息，0和1分别表示前景色和背景色，进一步减少字库占用的RAM内存资源；
叠加字符的位图信息在写入图像像素时，根据用户自定义配置数据显示叠加字符的前景色和背景色或者根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色同时以当前像素的背景色为叠加字符的背景色，以使叠加字符在图像上显示得更为突出；
优选的，根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色的方法为：
当图像为黑白图像时：
若背景灰度值≥128时，叠加字符显示黑色；
当背景灰度值<128时，叠加字符显示白色；
当图像为彩色图像时：
根据RGB值某个单通道值是否超过128来自动显示黑色或白色。
基于上述对显示颜色的自适应调节方法，以当前像素的背景色为叠加字符的背景色，叠加字符前景色颜色可以根据背景亮度自动调整，使得字符叠加时，无论背景亮还是暗都能清晰地看到叠加的字符。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)以图像的预设像素位置为起始点依次遍历单个字符区域的起始点；
(2)根据预设第一映射表，判断起始点所属字符区域是否需要叠加字符，若是，进入步骤(3)，否则继续遍历单个字符区域的起始点；
(3)根据预设第一映射表，获取字符区域需要叠加的字符内容；
(4)判断字符内容属性，根据字符内容属性获取字符区域实际叠加的字符内容；
(5)根据实际叠加的字符内容查找第二映射表，获取叠加字符位图信息的内存地址数据；
(6)根据内存地址数据遍历读取叠加字符位图信息中的每个像素数据，并遍历写入到图像像素。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述第一映射表中的数据以key-value形式存储，所述key域数据为在整个字符叠加区域中单个字符区域的起始点，所述value域数据为叠加字符内容或者为空。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述在整个字符叠加区域中每个字符区域的起始点，是以整个字符叠加区域的左上角(x0,y0)为参考点，起始点与参考点的相对坐标位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：还包括在步骤(1)之前建立用于存储叠加字符位图信息的字库，所述建立方法为：
根据预设单个字符位图的宽度确定FPGA内部的RAM的位宽，单个字符位图的一行数据存入RAM的一个地址中；
采用一个RAM存储一个字符位图或者拓展一个RAM的地址空间实现一个RAM存储多个字符位图；
采用第一预设位地址位对单个字符进行寻址编码，加上第二预设位地址位对单个字符的每一行数据寻址编码。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述第二映射表的key域数据为叠加字符内容，所述value域数据为单个叠加字符寻址编码的起始地址。
6.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述第一预设位地址位的大小根据字库中存储的字符总数确定，所述第二预设位地址位的大小根据单个字符位图的数据行数确定。
7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述单个字符的位图宽度和高度为32×32像素，所述RAM的位宽为36bit,深度为1024。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述步骤(4)，若字符内容属性为静态数据，则直接以步骤(3)获得的叠加字符内容作为实际叠加的字符内容，若字符内容为动态数据，则根据步骤(3)获得的叠加字符内容到图像动态数据中提取实际叠加的字符内容。
9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述叠加字符的位图信息在数据库中存储时采用1bit存储每个像素的颜色信息，0和1分别表示前景色和背景色，所述叠加字符的位图信息在写入图像时，根据用户自定义配置数据显示叠加字符的前景色和背景色或者根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色同时以当前像素的背景色为叠加字符的背景色。
10.根据权利要求9所述的一种基于FPGA的图像字符叠加方法，其特征在于：所述根据图像中当前像素的背景色自适应调节前景色的方法为：
当图像为黑白图像时：
若背景灰度值≥128时，叠加字符显示黑色；
当背景灰度值<128时，叠加字符显示白色；
当图像为彩色图像时：
根据RGB值某个单通道值是否超过128来自动显示黑色或白色。
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