FPGA 实现任意角度图像旋转：原理与代码设计

1. 概述

本文介绍基于 FPGA 的任意角度图像旋转实现。通过 Cordic 算法获取正余弦数值，结合坐标变换公式完成像素映射。

2. 图像旋转代码设计思路

2.1 旋转后的图像尺寸

在一副图像经过旋转后，原本像素的位置肯定会发生变化，图像总的面积虽然保持不变但是各别位置的尺寸会改变。比如一副 100x100 像素的图像进行旋转，我们只需要获得它的最长距离也就是对角线的尺寸作为旋转后的图像的显示范围。这样无论怎样旋转都能完整显示图像。

如下代码，Pixel_X 和 Pixel_Y 为旋转后图像的尺寸。ROW 和 COL 为原始图像尺寸，利用勾股定理求出对角线的值即可。

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;
        col_size <= (COL*cosout_abs + ROW*sinout_abs) >> 14;
    end
end

2.2 旋转后图像的有效位置

这个旋转后的有效位置可以自由设定，这里设定为屏幕中心处的位置。具体设计如下：

使用一块 480*272 的 LCD 屏幕，具体时序参数如下：

//parameter define localparam
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 <= 1'b1;
    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