FPGA 任意角度图像旋转实现原理与代码设计

概述

本文介绍在 FPGA 中实现任意角度图像旋转的原理与代码设计。通过 CORDIC 算法获取正余弦数值，结合旋转公式计算新坐标，完成图像映射。

图像旋转代码设计思路

2.1 旋转后的图像尺寸

图像旋转后像素位置发生变化，总像素面积不变但显示范围改变。为完整显示旋转后的图像，需以原始图像对角线长度作为旋转后图像的显示范围。

利用勾股定理计算对角线值，确定旋转后图像尺寸 Pixel_X 和 Pixel_Y：

reg [12:0] row_size ; reg [12:0] col_size ; 
assign Pixel_X = row_size ; assign Pixel_Y = col_size ; 
wire [31:0] cosout_abs = (cosout[31]) ? -cosout : cosout; 
wire [31:0] sinout_abs = (sinout[31]) ? -sinout : sinout; 
always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin 
    if (!rstn_i) begin 
        row_size <= 'd0 ; col_size <= 'd0 ; 
    end else begin 
        // h --> row
        // w --> col
        row_size <= (ROW*cosout_abs + COL*sinout_abs) >>14 ; // h 
        col_size <= (COL*cosout_abs + ROW*sinout_abs) >>14 ; // w 
    end 
end 

2.2 旋转后图像的有效位置

有效位置可自由设定，此处设定为屏幕中心位置。具体设计如下：

以屏幕中点位置为旋转后图像的中点位置，根据流水线级数调整偏移量以确保对齐。

//parameter define 
localparam H_SYNC = 11'd41 , //行同步 
H_BACK = 11'd2 , //行时序后沿 
H_LEFT = 11'd0 , //行时序左边框 
H_VALID = 11'd480 , //行有效数据 
H_RIGHT = 11'd0 , //行时序右边框 
H_FRONT = 11'd2 , //行时序前沿 
H_TOTAL = 11'd525 ; //行扫描周期 
localparam V_SYNC = 11'd10 , //场同步 
V_BACK = 11'd2 , //场时序后沿 
V_TOP = 11'd0 , //场时序左边框 
V_VALID = 11'd272 , //场有效数据 
V_BOTTOM = 11'd0 , //场时序右边框 
V_FRONT = 11'd2 , //场时序前沿 
V_TOTAL = 11'd286 ; //场扫描周期 
//cnt_h:行扫描计数器 
//cnt_v:场扫描计数器 
//data_req:数据请求信号 
wire data_req = (((cnt_h >= (((H_VALID - Pixel_X)>>1) + H_SYNC + H_BACK - 'd5)) && (cnt_h < (((H_VALID - Pixel_X)>>1) + Pixel_X + H_SYNC + H_BACK - 'd5))) &&((cnt_v >= ((V_VALID - Pixel_Y)>>1) + V_SYNC + V_BACK - 'd5) && ((cnt_v < (((V_VALID - Pixel_Y)>>1) + Pixel_Y + V_SYNC + V_BACK - 'd5))))); 

2.3 第一级流水线

在图像有效信号有效时进行行场计数。

always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin 
    if (!rstn_i) r_rotate_valid <= 1'b0 ; 
    else r_rotate_valid <= data_req ; 
end 
always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin 
    if (!rstn_i) r_rotate_end <= 'd0 ; 
    else if (r_rotate_valid && (vcnt == row_abs - 1) && (hcnt == col_abs - 2)) r_rotate_end <= 'd1 ; 
    else r_rotate_end <= 'd0 ; 
end 
always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin 
    if (!rstn_i) hcnt <= 'd0 ; 
    else if (r_rotate_valid && (r_rotate_end || (hcnt == col_abs - 1))) hcnt <= 'd0 ; 
    else if (r_rotate_valid) hcnt <= hcnt + 'd1 ; 
end 
always @(posedge clk_i, negedge rstn_i) begin 
    if (!rstn_i) vcnt <= 'd0 ; 
    else if (r_rotate_valid && r_rotate_end) vcnt <= 'd0 ; 
    else if (r_rotate_valid && (hcnt == col_abs - 1)) vcnt <= vcnt + 'd1 ; 
end 

2.4 第二级流水

开始计算图像旋转公式。以中心点为起始坐标，相当于坐标系 (0,0) 点，四个象限的所有坐标点均可表示。按照公式组合，最终右移 14 位。

reg signed [12:0] x_cos ; reg signed [12:0] y_sin ; reg signed [12:0] y_cos ; reg signed [12:0] x_sin ; 
assign row_abs = row_size; assign col_abs = col_size; 
// 得到旋转后图片的中点 
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

按照公式排列组合得出旋转后图像映射到原始图像的坐标位置。流程包括：原始屏幕坐标转换到中心坐标系 -> 应用旋转公式 -> 旋转后的中心坐标 -> 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

• hcnt_rotate 在 0 到 COL-1 之间（在原图像列范围内）
• vcnt_rotate 在 0 到 ROW-1 之间（在原图像行范围内）
• 已读取的像素数小于图像总像素数（ROW*COL）
• 每行有 COL 个像素，所以第 vcnt_rotate 行的起始地址是 COL*vcnt_rotate
• 再加上该行内的列偏移 hcnt_rotate

data_cnt 计数器用于限制读取的像素总数不超过原图像的总像素数，防止地址溢出或重复读取。使用 ROM IP 核存放预先处理好的图像数据，生成地址和使能信号读取。ROM 读出数据延迟一个时钟，第五级流水用于对齐。

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 
            // start_dly3 
            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 ) );

仿真结果

30°旋转

图片横着看，逆时针旋转 30°。

-30°

228°

仿真验证支持任意角度、任意方向的旋转。

总结

该设计方案实现了基于 FPGA 的任意角度图像旋转功能。通过多级流水线优化时序，利用 CORDIC 算法辅助坐标变换，成功将旋转逻辑集成至显示驱动流程中。目前功能正常，时序架构符合预期，可作为相关项目的参考实现。