FPGA 实现任意角度图像旋转原理

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 (0,0)，四个象限坐标均可表示。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：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。最后连接 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就可以了。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 ) );

3. 仿真结果

30°旋转

图片横着看，逆时钟旋转 30°。

-30°

228°

功能正常，支持任意角度、任意方向旋转。

4. 结语

本文基于通用 FPGA 开发板验证，LCD 显示例程采用标准接口。旋转代码独立编写，功能已验证正常，时序与架构可作为参考。