CN115829842B - 一种基于fpga实现图片超分辨率重建的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，包括：相互连接通信的FPGA和第一片外缓存；第一片外缓存用于存储待处理源图像以及目的图像的数据；FPGA内部寄存器存储有双三次插值权重；根据源图像和目的图像的尺寸大小计算得到源图像与目的图像中各个点的位置对应关系，根据位置对应关系计算得到双三次插值权重；上采样模块根据双三次插值权重对源图像的数据进行双三次插值上采样后，将图像上采样结果数据输出给锐化模块；锐化模块对图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算后，将图像锐化结果数据输出到数据缓存模块；将数据缓存模块的图像锐化结果数据写入第一片外缓存中得到目的图像；以解决图像分辨率不足和图像质量不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及图片超分辨率重建领域，尤其涉及一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置。
背景技术
图像是人类获取外界信息的重要来源之一，其承载着许多重要的信息。随着时代的不断发展，人们生活水平的不断提高，对图像质量的要求也在不断提高。但是，由于受到图像采集设备精度过低、图像信号传输过程中存在噪声等问题的影响，使得摄像头捕捉到的图像与预期有偏差，存在着分辨率下降、存在噪点等问题，使得难以满足日常生活的正常需求。随着科学技术的不断发展，人们对数字图像进行处理的技术也在不断提高，可以通过对单幅低分辨率图像进行一定的数字信号处理从而得到一幅高分辨率图像，即超分辨率重建。这种方式可以在不改变图像捕捉设备的基础上得到一幅高分辨率图像，突破现有成像技术的限制。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，以解决图像分辨率不足和图像质量不高的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，包括：相互连接通信的FPGA和第一片外缓存；所述第一片外缓存用于存储待处理源图像以及目的图像的数据；
所述FPGA包括：FPGA内部寄存器、上采样模块、锐化模块和数据缓存模块；
所述FPGA内部寄存器存储有双三次插值权重；根据所述源图像和目的图像的尺寸大小计算得到所述源图像与目的图像中各个点的位置对应关系，根据所述位置对应关系计算得到所述双三次插值权重；
所述上采样模块根据所述双三次插值权重对所述源图像的数据进行双三次插值上采样后，将图像上采样结果数据输出给所述锐化模块；
所述锐化模块对所述图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算后，将图像锐化结果数据输出到所述数据缓存模块；
将所述数据缓存模块的所述图像锐化结果数据写入所述第一片外缓存中得到所述目的图像。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述装置还包括：与所述FPGA连接通信的第二片外缓存；所述第二片外缓存用于存储配置参数数据；
所述FPGA还包括：配置模块、数据搬运模块和数据缓存控制模块；
所述配置模块从所述第二片外缓存读取配置参数数据，基于所述配置参数配置所述数据搬运模块的内部寄存器的参数；
所述数据缓存控制模块根据所述图像锐化结果数据的时序对所述配置模块进行反馈，控制所述数据搬运模块从所述数据缓存模块中读出所述图像锐化结果数据并写入所述第一片外缓存中；
所述数据搬运模块基于其内部寄存器的参数，从所述第一片外缓存读取所述源图像的数据给所述上采样模块，以及将所述数据缓存模块的所述图像锐化结果数据写入所述第一片外缓存中。
可选的，所述所述数据搬运模块的内部寄存器的参数包括：INPUT_SIGNAL、DST_ADDR、SRC_ADDR、RD_SIZE和WR_SIZE；
所述INPUT_SIGNAL用于指示所述数据搬运模块从所述第一片外缓存中读取数据或者向所述第一片外缓存中写入数据；
所述DST_ADDR用于指示所述数据搬运模块在所述第一片外缓存中的写数据地址；
所述SRC_ADDR用于指示所述数据搬运模块在所述第一片外缓存中的读数据地址；
所述RD_SIZE用于指示所述数据搬运模块从所述第一片外缓存中读取数据长度；
所述WR_SIZE用于指示所述数据搬运模块向所述第一片外缓存中写入数据长度。
可选的，所述源图像与所述目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
；
；
其中，所述源图像中点A与所述目的图像中点B是对应点，是源图像中点A的横坐标，是源图像中点A的纵坐标，是目的图像中点B的横坐标，是目的图像中点B的纵坐标，a是目的图像与源图像的横坐标方向的长度之比，b是目的图像与源图像的纵坐标方向的长度之比。
可选的，所述源图像与所述目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
；
；
其中，所述源图像中点A与所述目的图像中点B是对应点，是源图像中点A的横坐标，是源图像中点A的纵坐标，是目的图像中点B的横坐标，是目的图像中点B的纵坐标，a是目的图像与源图像的横坐标方向的长度之比，b是目的图像与源图像的纵坐标方向的长度之比。
可选的，所述FPGA内部寄存器存储的双三次插值权重的计算公式为：
；
其中，为采样点在一个维度上的插值权重，z为采样点与目的图像中点在源图像中对应点的坐标差值；为经验参数值。
可选的，所述上采样模块对所述源图像进行双三次插值上采样的采样点包括：
在一个维度上，所述采样点有4个点，其坐标分别为：，，和；
在二维平面上，所述采样点有16个点，其坐标分别为：
。
可选的，所述源图像的数据为所述源图像中所有点的像素值，各个点的像素格式为RGB888。
可选的，所述上采样模块包括：RAM、第二数据重排模块和计算模块；
所述RAM用于存储所述数据搬运模块输出的所述源图像的数据，所述RAM使用四个RAM组分别缓存所述源图像四行点的像素值；一个RAM组的24个片上RAM分别存储所述源图像中同一行8个点的24个通道的像素值；
所述第二数据重排模块用于根据当前计算点的位置，分别从4个RAM组中各取出4个点的像素值后进行重新排列，输出至所述计算模块；
所述计算模块通过乘加阵列将输入的点的像素值与权重进行乘加计算，得到所述图像上采样结果数据。
可选的，所述锐化模块对所述图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算模板为：
；
所述图像锐化结果数据为目的图像点的像素值。
本发明提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，可以将图像捕捉设备捕捉的存储在外部缓存中的一幅低分辨率图像放大为一幅高分辨率图像，可以在不改变图像捕捉设备的前提下突破现有图像成像技术的限制。区别于现有技术，不需要大量的矩阵乘法运算和矩阵求逆运算等复杂运算，具有更高的帧率和更低的功耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置的硬件实现架构图；
图2是本发明实施例提供的一种量化后权重存储结构图；
图3是本发明实施例提供的一种上采样模块计算双三次插值的原理架构图；
图4是本发明实施例提供的一种上采样模块中计算模块的电路设计原理架构图；
图5是本发明实施例提供的一种锐化模块计算拉普拉斯锐化的原理架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置的图，如图1所示，该装置包括：相互连接通信的FPGA和第一片外缓存；第一片外缓存用于存储待处理源图像以及目的图像的数据。
FPGA包括：FPGA内部寄存器、上采样模块、锐化模块和数据缓存模块。
FPGA内部寄存器存储有双三次插值权重；根据源图像和目的图像的尺寸大小计算得到源图像与目的图像中各个点的位置对应关系，根据位置对应关系计算得到双三次插值权重。
上采样模块根据双三次插值权重对源图像的数据进行双三次插值上采样后，将图像上采样结果数据输出给锐化模块。
锐化模块对图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算后，将图像锐化结果数据输出到数据缓存模块。
将数据缓存模块的图像锐化结果数据写入第一片外缓存中得到目的图像。
本发明提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，以解决图像分辨率不足和图像质量不高的问题。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置实施例，结合图1可知，该装置的实施例包括：装置包括：FPGA以及与该FPGA分别相互连接通信的第一片外缓存和第二片外缓存；第一片外缓存用于存储待处理源图像以及目的图像的数据；第二片外缓存用于存储配置参数数据。
在一种可能的实施例方式中，源图像的数据为源图像中所有点的像素值，各个点的像素格式为RGB888。即分别使用8bit表示红色通道像素值、绿色通道像素值和蓝色通道像素值，可以表示像素值的取值范围为0到255，读取接口时序符合AXI Full协议中的Burst模式，数据线位宽为64bit，一次最大突发读写长度为256。
FPGA包括：FPGA内部寄存器、上采样模块、锐化模块、数据缓存模块、配置模块、数据搬运模块和数据缓存控制模块。
FPGA内部寄存器存储有双三次插值权重；根据源图像和目的图像的尺寸大小计算得到源图像与目的图像中各个点的位置对应关系，根据位置对应关系计算得到双三次插值权重。
在一种可能的实施例方式中，源图像与目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
。
。
其中，源图像中点A与目的图像中点B是对应点，是源图像中点A的横坐标，是源图像中点A的纵坐标，是目的图像中点B的横坐标，是目的图像中点B的纵坐标，a是目的图像与源图像的横坐标方向的长度之比，b是目的图像与源图像的纵坐标方向的长度之比。
在另一种可能的实施例方式中，建立源图像中各个点与目的图像中各个点的对应关系使用的是向下取整运算符，因此目的图像中的点在源图像中的对应点坐标是整体向坐标轴负方向偏移的，因此需要进行中心点对齐，源图像与目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
。
。
在一种可能的实施例方式中，FPGA内部寄存器存储的双三次插值权重的计算公式为：
。
其中，为采样点在一个维度上的插值权重，z为采样点与目的图像中点在源图像中对应点的坐标差值；为经验参数值，一般取-0.5或者-0.75。
上采样模块根据双三次插值权重对源图像的数据进行双三次插值上采样后，将图像上采样结果数据输出给锐化模块。
在一种可能的实施例方式中，上采样模块对源图像进行双三次插值上采样的采样点包括：
在一个维度上，采样点有4个点，其坐标分别为：，，和。
在二维平面上，采样点有16个点，其坐标分别为：
。
如图2所示为本发明实施例提供的一种量化后权重存储结构图，权重值与采样点对应总共有16个，按照图2的结构格式将其进行定点数量化后存入FPGA寄存器中。
如图3所示为本发明实施例提供的一种上采样模块计算双三次插值的原理架构图，如图4所示为本发明实施例提供的一种上采样模块中计算模块的电路设计原理架构图，结合图1-图4可知，在一种可能的实施例方式中，上采样模块包括：RAM、第一数据重排模块、第二数据重排模块和计算模块。
RAM用于存储数据搬运模块输出的源图像的数据，RAM使用四个RAM组分别缓存源图像四行点的像素值。一个RAM组的24个片上RAM分别存储源图像中同一行8个点的24个通道的像素值，每一个RAM对应存储一个通道的像素值。
第二数据重排模块用于根据当前计算点的位置，分别从4个RAM组中各取出4个点的像素值后进行重新排列，输出至计算模块。
计算模块通过乘加阵列将输入的点的像素值与权重进行乘加计算，得到图像上采样结果数据。
锐化模块对图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算后，将图像锐化结果数据输出到数据缓存模块。
如图5所示为本发明实施例提供的一种锐化模块计算拉普拉斯锐化的原理架构图，结合图1-图5可知，在一种可能的实施例方式中，锐化模块对图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算模板为：
。
图像锐化结果数据为目的图像点的像素值。
将数据缓存模块的图像锐化结果数据写入第一片外缓存中得到目的图像。
在一种可能的实施例方式中，配置模块从第二片外缓存读取配置参数数据，基于配置参数配置数据搬运模块的内部寄存器的参数。
数据缓存控制模块根据图像锐化结果数据的时序对配置模块进行反馈，控制数据搬运模块从数据缓存模块中读出图像锐化结果数据并写入第一片外缓存中。
数据搬运模块基于其内部寄存器的参数，从第一片外缓存读取源图像的数据给上采样模块，以及将数据缓存模块的图像锐化结果数据写入第一片外缓存中。
具体实施中，该第一片外缓存和第二片外缓存可以均为DDR SDRAM，FPGA上设置有AXI HP接口和AXI GP接口。数据搬运模块根据所配置的寄存器参数按照AXI-Full协议Burst突发传输模式从第一片外缓存中读取/写入对应的数据。配置模块通过AXI GP接口按照AXI Lite协议从第二片外缓存中读取配置参数数据。
在一种可能的实施例方式中，数据搬运模块的内部寄存器的参数包括：INPUT_SIGNAL、DST_ADDR、SRC_ADDR、RD_SIZE和WR_SIZE。
INPUT_SIGNAL用于指示数据搬运模块从第一片外缓存中读取数据或者向第一片外缓存中写入数据。
DST_ADDR用于指示数据搬运模块在第一片外缓存中的写数据地址。
SRC_ADDR用于指示数据搬运模块在第一片外缓存中的读数据地址。
RD_SIZE用于指示数据搬运模块从第一片外缓存中读取数据长度。
WR_SIZE用于指示数据搬运模块向第一片外缓存中写入数据长度。
本发明实施例提供的一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，可以将图像捕捉设备捕捉的存储在外部缓存中的一幅低分辨率图像放大为一幅高分辨率图像，可以在不改变图像捕捉设备的前提下突破现有图像成像技术的限制。区别于现有技术，不需要大量的矩阵乘法运算和矩阵求逆运算等复杂运算，具有更高的帧率和更低的功耗。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于FPGA实现图片超分辨率重建的装置，其特征在于，所述装置包括：相互连接通信的FPGA和第一片外缓存；所述第一片外缓存用于存储待处理源图像以及目的图像的数据；
所述FPGA包括：FPGA内部寄存器、上采样模块、锐化模块和数据缓存模块；
所述FPGA内部寄存器存储有双三次插值权重；根据所述源图像和目的图像的尺寸大小计算得到所述源图像与目的图像中各个点的位置对应关系，根据所述位置对应关系计算得到所述双三次插值权重；
所述上采样模块根据所述双三次插值权重对所述源图像的数据进行双三次插值上采样后，将图像上采样结果数据输出给所述锐化模块；
所述锐化模块对所述图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算后，将图像锐化结果数据输出到所述数据缓存模块；
将所述数据缓存模块的所述图像锐化结果数据写入所述第一片外缓存中得到所述目的图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述FPGA连接通信的第二片外缓存；所述第二片外缓存用于存储配置参数数据；
所述FPGA还包括：配置模块、数据搬运模块和数据缓存控制模块；
所述配置模块从所述第二片外缓存读取配置参数数据，基于所述配置参数配置所述数据搬运模块的内部寄存器的参数；
所述数据缓存控制模块根据所述图像锐化结果数据的时序对所述配置模块进行反馈，控制所述数据搬运模块从所述数据缓存模块中读出所述图像锐化结果数据并写入所述第一片外缓存中；
所述数据搬运模块基于其内部寄存器的参数，从所述第一片外缓存读取所述源图像的数据给所述上采样模块，以及将所述数据缓存模块的所述图像锐化结果数据写入所述第一片外缓存中。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述所述数据搬运模块的内部寄存器的参数包括：INPUT_SIGNAL、DST_ADDR、SRC_ADDR、RD_SIZE和WR_SIZE；
所述INPUT_SIGNAL用于指示所述数据搬运模块从所述第一片外缓存中读取数据或者向所述第一片外缓存中写入数据；
所述DST_ADDR用于指示所述数据搬运模块在所述第一片外缓存中的写数据地址；
所述SRC_ADDR用于指示所述数据搬运模块在所述第一片外缓存中的读数据地址；
所述RD_SIZE用于指示所述数据搬运模块从所述第一片外缓存中读取数据长度；
所述WR_SIZE用于指示所述数据搬运模块向所述第一片外缓存中写入数据长度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源图像与所述目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
；
；
其中，所述源图像中点A与所述目的图像中点B是对应点，是源图像中点A的横坐标，是源图像中点A的纵坐标，是目的图像中点B的横坐标，是目的图像中点B的纵坐标，a是目的图像与源图像的横坐标方向的长度之比，b是目的图像与源图像的纵坐标方向的长度之比。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源图像与所述目的图像中各个点的位置对应关系的公式为：
；
；
其中，所述源图像中点A与所述目的图像中点B是对应点，是源图像中点A的横坐标，是源图像中点A的纵坐标，是目的图像中点B的横坐标，是目的图像中点B的纵坐标，a是目的图像与源图像的横坐标方向的长度之比，b是目的图像与源图像的纵坐标方向的长度之比。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述FPGA内部寄存器存储的双三次插值权重的计算公式为：
；
其中，为采样点在一个维度上的插值权重，z为采样点与目的图像中点在源图像中对应点的坐标差值；为经验参数值。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上采样模块对所述源图像进行双三次插值上采样的采样点包括：
在一个维度上，所述采样点有4个点，其坐标分别为：，，和；
在二维平面上，所述采样点有16个点，其坐标分别为：
。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源图像的数据为所述源图像中所有点的像素值，各个点的像素格式为RGB888。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上采样模块包括：RAM、第二数据重排模块和计算模块；
所述RAM用于存储所述数据搬运模块输出的所述源图像的数据，所述RAM使用四个RAM组分别缓存所述源图像四行点的像素值；一个RAM组的24个片上RAM分别存储所述源图像中同一行8个点的24个通道的像素值；
所述第二数据重排模块用于根据当前计算点的位置，分别从4个RAM组中各取出4个点的像素值后进行重新排列，输出至所述计算模块；
所述计算模块通过乘加阵列将输入的点的像素值与权重进行乘加计算，得到所述图像上采样结果数据。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锐化模块对所述图像上采样结果数据进行拉普拉斯锐化运算模板为：
；
所述图像锐化结果数据为目的图像点的像素值。
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