FPGA 实现任意角度图像旋转：原理与代码设计思路

2.4 第二级流水线

开始计算图像旋转公式。以中心点为起始坐标 (0,0)，这样四个象限的坐标均可表示。按照旋转矩阵公式组合，最终结果右移 14 位恢复精度。

reg signed [12:0] x_cos, y_sin, y_cos, x_sin;
assign row_abs = row_size; assign col_abs = col_size;
assign row1 = row_abs >> 1; assign col1 = col_abs >> 1;

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) x_cos <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_1d) x_cos <= ((hcnt - col1) * cosout) >>> 14;
    else x_cos <= x_cos;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) y_sin <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_1d) y_sin <= ((vcnt - row1) * sinout) >>> 14;
    else y_sin <= y_sin;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) y_cos <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_1d) y_cos <= ((vcnt - row1) * cosout) >>> 14;
    else y_cos <= y_cos;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) x_sin <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_1d) x_sin <= ((hcnt - col1) * sinout) >>> 14;
    else x_sin <= x_sin;
end

2.5 第三级流水线

将旋转后的坐标映射回原始图像的坐标位置。流程包括：原始屏幕坐标转中心坐标系 -> 应用旋转公式 -> 转换回屏幕坐标系。

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) r_rotate_valid_2d <= 'd0;
    else r_rotate_valid_2d <= r_rotate_valid_1d;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) hcnt_rotate <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_2d == 1'b1)
        hcnt_rotate <= x_cos - y_sin + (COL >> 1);
    else hcnt_rotate <= 'd0;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) vcnt_rotate <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_2d == 1'b1)
        vcnt_rotate <= y_cos + x_sin + (ROW >> 1);
    else vcnt_rotate <= 'd0;
end

2.6 第四级流水线

此阶段负责从 ROM 读取原始像素数据。需要满足以下条件：

1. hcnt_rotate 和 vcnt_rotate 在原图像范围内。
2. 已读取像素数未超过总像素数（防止地址溢出）。
3. 计算线性地址：COL * vcnt_rotate + hcnt_rotate。

ROM 读出数据通常有延迟，因此后续还需一级流水对齐。

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) r_rotate_valid_3d <= 'd0;
    else r_rotate_valid_3d <= r_rotate_valid_2d;
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) begin
        rden <= 'd0; addra <= 'd0;
    end else if (r_rotate_valid_3d == 1'b1) begin
        if ((hcnt_rotate >= 'd0) && (hcnt_rotate < COL) &&
            (vcnt_rotate >= 'd0) && (vcnt_rotate < ROW) && (data_cnt < ROW * COL)) begin
            rden <= 1'b1;
            addra <= COL * vcnt_rotate + hcnt_rotate;
        end else begin
            rden <= 1'b0; addra <= 'd0;
        end
    end else begin
        rden <= 'd0; addra <= 'd0;
    end
end

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin
    if (!rstn_i) data_cnt <= 'd0;
    else if (data_cnt == ROW * COL - 1) data_cnt <= 'd0;
    else if (r_rotate_valid_3d && (hcnt_rotate >= 'd0) && (hcnt_rotate < COL) &&
             (vcnt_rotate >= 'd0) && (vcnt_rotate < ROW))
        data_cnt <= data_cnt + 'd1;
end

img_mem_gen img_mem_gen_inst (
    .address(addra), .clock(clk_i), .rden(rden), .q(rom_data)
);

3. 仿真结果

通过不同角度的测试验证了方案的有效性。例如 30°逆时针旋转、-30°旋转以及 228°旋转等场景，图像均能正确映射且无明显失真。

任意角度、任意方向均可支持，具体效果视分辨率与时序而定。

4. 总结

该方案基于 FPGA 逻辑实现了任意角度图像旋转功能。核心在于利用固定点运算处理三角函数，并通过多级流水线保证实时性。代码架构清晰，时序经过基本验证，可直接应用于 LCD 显示项目。若在实际工程中部署，建议针对特定硬件平台优化语法并完善异常处理机制。