Esta es la segunda parte en la serie de artículos relacionados a demos que realizan procesamiento de imágenes clásicas en la plataforma Lattice ICE40 UltraPlus FPGA. El sistema que se usa es la plataforma Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board.
Por favor, se recomienda que se lea la primera parte aquí antes de proceder con este artículo.
El primer paso es crear una imagen de entrada para este demo de procesamiento de imágenes. La misma fue creada desde el programa GIMP. La imagen original fue reducida en resolución a solo 64x64 y grabada en un archivo como un header de C para que sea codificada e integrada en el programa de C++ como caracteres para la interfaz 4 wire SPI técnicamente hablando. El archivo header usado en este demo de procesamiento de imágenes es el siguiente,
/* 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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"H!)EH!!DH1%FHQ1II1-HIQ%GJ1!IJQ)KK!=NK1ANK11MKQ-NL!=RL1=VL19VL!9R"
"KA1OK!=OJQ1MJAIPJB-SIQ]PHQ5LH!-LGA-LG!%LFQ%LG!1MGQINHAEHJ!EEM3)S"
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"K!!MJQ!MJA!LJ1)MIQIOIBIVI3I`HCM`GBUWFQ=MFQ)LG1IQHR5VJ29TKQILN\"1P"
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"K\"!UJQ-OJAEPJC9_JDF.JER>KWFXKGNZI%R<G\"UWFQ)LG15NH1=MIQ5IK1)HLQ1H"
"LQ%BM1-CN!IGMQEBNA->P1%?QQ!AR1!@QQ!<PQA?P$J\"R([!X-4%^`0T`P\\_````"
"`````````````````0L[[>X>S*_BM&>AMVFCQ97,RJGAR:WHR[3PQ*7DQZ[MJFBI"
"MHS+LX?%JVVLIU>8KVVMO9+1P)C9P)?7PIW;OY32N'R]O8S+R:SKQZ+BMF&HM%JA"
"LE^CK%*6K5\"4M'BXNY33MY+1N)G9M)'1IFBHG\"]YFA5NG!9OH!=MI1)HJ1!DKQ)F"
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"Q[KXOZGHP['PPJSKMI+1MY33O)W=P:CGQK/QQ:WKP9_>QJSJR[;TP934NWR_PZ3B"
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"NT.(R#9^TB9TUR)SV1YSVBIZV3N&U$B+SVNCU*;9Z.$1^`0T`P\\_````````````"
"`````````````````P\\_]OPLUL+UMG*JKCA^M$V/NW&NP(_*P9;2P)C5S;GUN973"
"R;SYN);5OJ7DQ;+QO:'AOZCGPJOJPZOJQK7RR+?UR+7TS+OZQZCHOH+%QJ3CSL0!"
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"````````````````````_04UXMD*P9+&KTR*KB]YKBIWJAEMJ!MKJ#=ZJ4^-I$>("
"K7:RNIW7QK?SRKW[OZ;EP*CFPJGGP:?FPZWKPJ?FOIK9Q*GGS+?URJ?FQ:CGS,#]"
"QK#OQ*7DLW*TK6&CLG^_N9G8MI74J'*QFS^#EAMLEB%NF46#KXR`U]D)]/\\O^0,T"
"^0(S^@,S^@(R^P(R^P,S_08V_`LZ`@X^````````````````````````````````"
"````````````````````_PDYZN@8R:C;L5V7K3)ZK3!YJ1]OIQ%EI1!BH1!AGA5E"
"H#]_L8:`OZGEQ++PMY/2LX3#M(+!M87$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\\^````````````````````````````````````````````"
"````````````````````````````````````````````````````````````````"
"";
En realidad, la imagen original RGB fue codificada, formalmente hablando, usando caracteres realizado por el siguiente 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; \
}
Para poder recobrar la imagen de este esquema de codificación de caracteres realizado por el macro, se utiliza esta operación en reversa. No obstante, la imagen en grados grises sera usada en las figuras (derivada del programa GIMP RGB exportada como un archivo header de C) sin perder ningun tipo de veracidad en la description de estos procesos de imágenes en el demo. El demo de procesamiento de imágenes en este artículo, realiza una transformada con un umbral predeterminado dentro del FPGA. La función usada en este caso es la siguiente,
test_add_threshold(uint8_t *image_input, uint8_t *image_output, Image_processing *img_proc)
para coordinar la computadora x86 que corre la aplicación de C++ con la máquina de estados finitos dentro del FPGA que realiza las operaciones de las imágenes. La parte relevante del programa de C++ que realiza el procesamiento de imagen es el siguiente 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);
}
La máquina de estados finitos dentro de la FPGA realiza este procesamiento de imágnenes (con send_threshold(168, 0, 0)) y entonces obtenemos el siguiente resultado,
Este demo de procesamiento de imágenes remplaza los pixels de la imagen resultante, si cumplen el nivel del umbral, y si la selección de arriba es 1, entonces cada pixel mayor o igual que el nivel establecido, se remplaza, de lo contrario se remplaza cada pixel que sea igual o menor que el umbral establecido por la función send_threshold(168, 0, 0). Dentro del FPGA, los registros relacionados al umbral son,
reg [7:0] threshold_value;
reg [7:0] threshold_replacement;
reg threshold_upper;
Cuando este comando para el procesamiento de imagen es recibdo por el FPGA y la estructura interna que procesa esto, es esta sección,
COMMAND_APPLY_THRESHOLD: begin
state <= STATE_THRESHOLD_READ_PARAM;
counter_read <= 2; // read 3*8bits of params
end
También esta parte es relevante,
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
Entonces envia la imagen hacia la computadora x86 como el archivo de la imagen llamado output.dat despues de que la siguiente secuencia,
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
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
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
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
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
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
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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
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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
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
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
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
recv_data[0]: 0x40
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recv_data[0]: 0x40
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recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
recv_data[0]: 0x40
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y eventualmente la imagen transformada con un umbral de 168 completado en este demo se muestra con gnuplot,
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"
Un nivel de umbral de 240 fue usado en este caso img_proc->send_threshold(240, 0, 0), y el proceso del demo descrito previamente fue repetido, el resultado es el siguiente,
La imagen transformada por la plataforma Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board se ve dramáticamente distinta (El logo de DigiKey logo no se puede distinguir) en comparación al previo nivel.
En el próximo artículo estaremos describiendo mas demos de procesamiento de imágenes y mas detalles, mantengase sintonizado. La plataforma de Lattice ICE40 FPGA UltraPlus Breakout Board es una excelente, de bajo costo, pero suficientemente potente para realizar estos tipos de procesamientos de imágines, y está disponible en DigiKey.
Que tenga un buen día.