FPGA 任意角度图像旋转原理与实现

2.4 第二级流水线：坐标变换

基于中心点 (0,0) 建立坐标系，利用正余弦值计算旋转前的中间坐标。注意这里使用了算术右移 >>> 来处理定点数精度。

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 第三级流水线：映射回原图坐标

将旋转后的中心坐标转换回原始图像的行列索引。流程为：屏幕坐标 -> 中心坐标系 -> 旋转公式 -> 旋转后中心坐标 -> 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：ROM 读取控制

判断旋转后的坐标是否在原图范围内，并生成 ROM 读地址。同时使用计数器限制总读取像素数，防止溢出或重复读取。由于 ROM 读出有延迟，此处增加一级对齐。

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. 仿真结果验证

通过不同角度的测试，验证了旋转逻辑的正确性。

30° 旋转效果：

逆时针旋转 30°：

-30° 旋转：

228° 旋转：

测试表明，该方案支持任意角度和方向的旋转，时序逻辑稳定，满足实时处理需求。

4. 总结

本方案实现了基于 FPGA 的任意角度图像旋转功能。核心在于多级流水线的设计，解决了坐标转换与内存访问的时序匹配问题。代码架构清晰，便于后续集成到实际项目中。若在实际应用中遇到特定硬件约束，可针对资源占用进一步优化。