This the second part in a series of articles related to a demo that will perform classical image processing in the Lattice ICE40 UltraPlus FPGA. The system that will be used is the Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board.
Please refer to the first part here before proceeding. The first step is to create the input image for this image processing demo. This was created in GIMP. The original image was reduced in resolution to only 64x64 and saved as a C .header file to be encoded and integrated into the C++ program as “characters” for the 4 wire SPI communication system interface, technically speaking. The actual C .header file used in this image processing demo is the following one,
/* GIMP header image file format (RGB): /DigiKeyCoffeeCup/cup.h */
static unsigned int image_width = 64;
static unsigned int image_height = 64;
/* Call this macro repeatedly. After each use, the pixel data can be extracted */
#define HEADER_PIXEL(data,pixel) {\
pixel[0] = (((data[0] - 33) << 2) | ((data[1] - 33) >> 4)); \
pixel[1] = ((((data[1] - 33) & 0xF) << 4) | ((data[2] - 33) >> 2)); \
pixel[2] = ((((data[2] - 33) & 0x3) << 6) | ((data[3] - 33))); \
data += 4; \
}
static char *header_data =
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"^0(S^@,S^@(R^P(R^P,S_08V_`LZ`@X^````````````````````````````````"
"````````````````````_PDYZN@8R:C;L5V7K3)ZK3!YJ1]OIQ%EI1!BH1!AGA5E"
"H#]_L8:`OZGEQ++PMY/2LX3#M(+!M87$MXW+MH7$L&VNM7N[PYS:QIK9MG2WMX#!"
"LG*SK6&BIT\"%ICR!J%65IE^?HE:7G#Z#F\")PEAAKEB5NG%6/O:;8[_4E`@X^````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````@T]]/@GUL'SMW:LK#9\\JRAUJ!EKIA!DI!!CH1!CG1%A"
"FR!HH522JWBVLH?%JVRLI4Z0I$.%I4>'IDR,ITB)ISE_JT:+N&:HP'&TL$./JCB#"
"J#!\\HQ=LHA-IHB1OH3%WGBQUFA]OF!=LEQ9KEAEKES9WI7*GR\\#Q^0(R`P\\_````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"```````````````````````__04TY=\\/Q)W0KU60JB=SJ!=KIA!DHQ!CGQ!BG!)@"
"FA1BFB9MG#M]H$>'H3U`H\"USGR!IGQ9CH!-CH1MHI!]LIRATLDB.O5^CKC>&IQIQ"
"IC!YHB-QH!]NH!YLGRISG\"9PF1YLF2%NF\")OEB)NFU\"+MIG,X>$1_PDY````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````````@P\\]/@HU\\?YN(&WJCQ^IQ9LIA9HI!QHH!-CG15B"
"FAIEFRQQF!QGF15DG25MGS!TGRMPGAUHGQ=FH\"!JHR9OIR]WLTR0P&:HKSV)IBEV"
"ICY`H2YUH3%WH#)XH3^!GCA[FB=PF2-OF\"1PF#Q]IWNPS</U]/PL`PX^````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"```````````````````````````__P@X[.T=SKCJLW*IIS1YIB!OI2=PH!9FG11C"
"FQUGG3-VF2)JF!1DFAIGFR)JG!]GG!9CG19CH\"-JHRUSIS5[LTV0P&:HKCV)I2MW"
"HS-XGR5OGR]TH#A[HD:&GSY`FBMSEQ]MEC-VH6VCPK+CZ.P<_PHZ````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````````````P\\__04UZ>D9S+3FLG.JI35YHQULH1AHG19E"
"FQ5CFB)JF!AFEQ)DF!-DF!)BF1%?FA!>FQ)@G1EDH\"!II\"MSL4>,OE^BK3F%HQ]O"
"H25OGAEIG!UJG\"IQGCI\\FC-XE\")MD2QPFV6;NZG;X>03^P4U`P\\_````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````````````````P\\__08VZ^P<S;KLKW:JH3)UH!MJG1MI"
"F1%BEQ!BEA!CEA)EEQEHF!=EF!)AF!!>F1!=FQ%>G1%AHB%MKD&&NEF<JSV&H2!N"
"H2UTG1]KFQIIF2)KE25MD1UJCB]PF&:;MJ;8W=\\/^0(R`P\\_````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````````````````````P\\__@@X[O,BT,/SKH\"SG$)^EQAF"
"ERQPE!IGE!)FEQAJF1]NF1QJF!1DEQ%?F!!=F1%=G!1AH!UKIS)[KDB-J$.(GR=Q"
"GB=OF2%KF\"ANEC9VCB]PBT%[F76HNK'AW^03^0(R`@X^````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"``````````````````````````````````````````\\__`L[]/PKVM<&M9O-GFN@"
"EU:/BBUOC!=GE25RFS%ZFRIUEQIJE1-BE1ICER!EF1YFFQAGGR%PHC%[H#5\\FB)O"
"F2=OD2)JBS!QB$5^BER1H8Z`R,;WZ?$A^`<W`P\\_````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`````````````````````````````````````````````````@X^_08V[O0DT<__"
"IYC)D'.EB%N1B$>\"D$*\"DC=[CB)MC!MGCBUOD3AVD3-SD\"-KEB]UGD:'G$N*CR]T"
"ARYP@4)[@UV0C7JKKJO;V-\\.]/XN_`P\\`P\\_````````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"``````````````````````````````````````````````````````\\_`@X^_@DX"
"\\OPJW.,1PL3UHIW.BG>J?UZ2?E2*?T^%?4I`>T9\\>T-Z?D1\\A$Z%BER2AF28@F>:"
"AW:HGYK+OL'PVN(0\\/LJ_@DY`P\\_````````````````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"`P\\^`0P\\_@DY\\_XNV^03P<7TL[3DJJK:G)K)CHNYB8:RC(BUF);$KK#?P,;UT=@'"
"Z?(A]`,R_0DX`0P\\`P\\^````````````````````````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"";
In reality, the original RGB image was encoded, formally speaking, using “characters” using the following macro,
#define HEADER_PIXEL(data,pixel) {\
pixel[0] = (((data[0] - 33) << 2) | ((data[1] - 33) >> 4)); \
pixel[1] = ((((data[1] - 33) & 0xF) << 4) | ((data[2] - 33) >> 2)); \
pixel[2] = ((((data[2] - 33) & 0x3) << 6) | ((data[3] - 33))); \
data += 4; \
}
So in order to recover it from this encoding scheme of “characters” performed by the macro, the reverse operation needs to be performed. Nevertheless, the “gray scale image” will be used in the pictures (derived from the GIMP RGB image exported as a .header file as a character encoded image) without lossing any accuracy of the description of these processes.
The image processing demo in this article, performed a threshold transformation inside the FPGA. The function used in this case was this one,
test_add_threshold(uint8_t *image_input, uint8_t *image_output, Image_processing *img_proc)
to coordinate the x86 host C++ application with the internal finite state machine that implemented this image processing operation inside the FPGA. The C++ program performed the following image processing operation test_add_threshold,
void test_add_threshold(uint8_t *image_input, uint8_t *image_output, Image_processing *img_proc){
img_proc->send_params(image_width, image_height);
uint8_t status[4];
img_proc->read_status(status);
printf("after send params\n");
for (size_t i = 0; i < 4; i++) {
printf("status out %lu : 0x%x\n", i, status[i]);
}
img_proc->send_image(image_input);
printf("===========ADD===========\n");
img_proc->switch_buffers();
img_proc->send_add(32, true);
img_proc->read_status(status);
printf("after ADD\n");
for (size_t i = 0; i < 4; i++) {
printf("status out %lu : 0x%x\n", i, status[i]);
}
img_proc->wait_end_busy();
img_proc->read_status(status);
printf("Finished ADD\n");
for (size_t i = 0; i < 4; i++) {
printf("status out %lu : 0x%x\n", i, status[i]);
}
printf("===========THRESHOLD===========\n");
img_proc->send_threshold(168, 0, 0);
img_proc->wait_end_busy();
img_proc->switch_buffers();
img_proc->read_image(image_output);
}
The internal finite state machine in the FPGA performs this image processing operation (with
send_threshold(168, 0, 0)) and we obtain the following result,
This image processing demo replaces the pixels in the resulting image, if they comply with the threshold level, if upper selection is 1, then every pixel larger or equal to the threshold value, will be set to replacement, otherwise it will replace every pixels less or equal to the threshold value specified by the function send_threshold(168, 0, 0).
Inside the FPGA the threshold registers are,
reg [7:0] threshold_value;
reg [7:0] threshold_replacement;
reg threshold_upper;
When this command for image processing is received by the FPGA and the internal structure that processes this, is this section,
COMMAND_APPLY_THRESHOLD: begin
state <= STATE_THRESHOLD_READ_PARAM;
counter_read <= 2; // read 3*8bits of params
end
Also this part,
STATE_THRESHOLD_READ_PARAM: begin
if(comm_data_in_valid == 1)begin
if(counter_read == 2) begin
threshold_value[7:0] <= comm_data_in;
counter_read <= 1;
end else if(counter_read == 1) begin
threshold_replacement[7:0] <= comm_data_in;
counter_read <= 0;
end else begin
threshold_upper <= comm_data_in[0];
state_processing <= STATE_PROC_UNARY;
processing_command <= COMMAND_APPLY_THRESHOLD;
state <= STATE_WAIT_COMMAND;
proc_counter_read <= img_width*img_height;
proc_memory_addr_counter <= buffer_storage_address;
end
end
end
Then it sends the image back to the x86 linux host as a image file called output.dat after the following sequence is observed in the x86 host in the C++ application below,
init..
sending img_width8[0]: 64, [1]: 0
sending img_height8[0]: 64, [1]: 0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
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recv_data[0]: 0x40
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recv_data[0]: 0x40
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recv_data[0]: 0x40
after send params
status out 0 : 0x0
status out 1 : 0x0
status out 2 : 0x0
status out 3 : 0x0
sending..
===========ADD===========
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
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recv_data[0]: 0x40
after ADD
status out 0 : 0x0
status out 1 : 0x0
status out 2 : 0x0
status out 3 : 0x0
recv_data[0]: 0x41
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recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
recv_data[0]: 0x41
recv data: 0x0
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and eventually the transformed image with a threshold level of 168 in this completed demo is displayed using gunplot,
gnuplot --persist -e "set palette gray; set yrange [] reverse; set cbrange [0:255]; set palette defined (0 \"black\", 255 \"white\"); plot \"output.dat\" matrix w image noti"
A different threshold level of 240 was used in this case img_proc->send_threshold(240, 0, 0), and the process of the demo described above was repeated and the resulting output image is the following,
The transformed image by the Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board looks dramatically way different (even the DigiKey logo cannot be distinguished) than using the previous threshold level.
In the next article we will be describing more image processing demos in this platform as well as more details, stay tuned. The Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board is an excellent, low cost, but powerful enough to even tackle image processing applications and is available at DigiKey.
Have a wonderful day!
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