图像处理理系列文章基本都是我本科毕设论文同步发布，这个项目以LGPL许可被发布在F-I-L。窗口生成器跟在行缓存生成器之后，负责将行缓存生成的每一列扩展成以某个像素为中心、以这个像素的邻域为填充的窗口，以供后续的模块进行处理。原则上，窗口的生成可以在每个局部滤波器模块的内部生成，但考虑到可能有若干个模块复用同一个窗口，综合复用性和资源成本的考量后，我选择用这样的一个生成器来作为行缓存和处理模块的连接层，本节将介绍如何构造一个窗口生成器。
这个IP核的资源在这里：
WindowGenerator

3 算法实现

明确了设计和架构，便可以进行算法的实现。本章将会说明如何实现图像处理的算法，以及如何运用它们。

3.9 生成器-窗口生成器

窗口生成器跟在行缓存生成器之后，负责将行缓存生成的每一列扩展成以某个像素为中心、以这个像素的邻域为填充的窗口，以供后续的模块进行处理。原则上，窗口的生成可以在每个局部滤波器模块的内部生成，但考虑到可能有若干个模块复用同一个窗口，综合复用性和资源成本的考量后，我选择用这样的一个生成器来作为行缓存和处理模块的连接层，本节将介绍如何构造一个窗口生成器。

3.9.1 原理

如图3-9-1中所示，窗口生成器接受包含若干行像素的一列，输出整个窗口的像素，并且窗口应当包含当前操作的中心像素以及其邻域像素。所以需要构造一个二维数组，数组的每一维都包含了一行，初始状态下窗口中的每个像素均为0，之后最左侧的一列不断接收外部数据，而每行的各个像素之间不断进行移位操作，以此来构造一个在图像上不断滑动的窗口。

图3-9-1 窗口的原理

3.9.2 设计

根据原理可知，WindowGenerator核(以下简称WG核)核心是一个二维数组每一维的像素之间的移位操作。考虑对于NxN的窗口，只有当第一个在图像上的像素作为窗口中心时才能够真正的输出，所以在N/2个周期之前，窗口的输出应该是无效的。但即使在无效的时候，窗口仍然需要外部输入数据来保证其继续被填充到有效，这和其他模块的设计不同，必须采用专用的设计来完成。考虑流水线模式，每一个周期模块接收外部送入的一列进行处理，由于移位是连续的，所以当第一个窗口填充完毕后输出有效，这和一般的流水线模式基本一致，而对于请求响应模式则不同，这种模式下输入数据受到输入使能的控制，移位是不连续的，所以当第一个窗口被填充完毕、窗口输出有效之前，必须有一个信号通知外部需要继续写入数据，我设计了一个端口input_ack来传递这个信号。 综上，一个WG核需要的配置参数和端口如表3-9-1与表3-9-2。

3.9.3 实现

根据3.9.2的设计便可以实现一个WG核，流水线模式和请求响应模式实现如下。

3.9.3.1 流水线模式

保证地址和数据同步流水化输出，在复位时二者皆输出为0，实现如下：
in_enable或rst_n为低时，系统复位，输出无效；否则窗口宽度加1个周期后第一个窗口被输出，并且每一个clk的上升沿都会送入一列进行处理，第一个窗口有效之后，每一个周期都将送出一个窗口，波形如图3-9-2。

图3-9-2 流水线模式时序

3.9.3.2 请求响应模式

基本与3.9.3.1一致，但只有in_enable的上升沿时才会有数据被输入，同时每一列输入后都会有一个input_ack信号响应此次输入，来提示外部进行下一次的输入，波形如图3-9-3。

图3-9-3 请求响应模式时序

3.9.3.3 IP核GUI

完成功能后对WG核进行了封装，封装如图3-9-4。

图3-9-4 WG核的GUI

3.9.4 仿真

WG核虽然对于所有图像都有意义，但一般用于灰度和二值图像的处理，所以我选取了一张图像的灰度模式与二值模式(来源于局部二值化，在后面的章节将会介绍)作为仿真源，并且考虑到仿真压力，仅测试了宽度为3和5的窗口，原始图像如图3-9-5。

图3-9-5 原始测试图像

使用HDL功能仿真和软件仿真的结果进行PSNR的计算，仿真结果如图3-9-6所示。

图3-9-6 仿真结果之一，行缓存宽度为5，左侧为流水线模式下的HDL功能仿真结果，中间为请求响应模式下的HDL功能仿真结果，右侧为软件仿真结果

3.9.5 资源和时序

最终实现与窗口大小关系很大，这里只对512x512，色彩位宽为8，窗口大小为3时的情况进行分析，根据Vivado生成的报表，主要资源耗费如表3-9-3。

同时由于根据时序报告，最大的Data Path Delay(数据路径延迟)为2.325ns，即：

FMax = 430.10MHz

即说明，WG核在流水线模式下，理论上在处理1080p全高清图像时可以达到207帧。
由于数据路径延迟和应用的最终约束设置强相关，所以仅供参考。

3.9.6 分析与结论

由于WG核与一般的图像处理不同，所以不能采用PSNR来评估，只能对比软件仿真和硬件仿真每一行的文本，完全相同时则为正确(OK)，得到的数据如表3-9-4。

可见WG核有效，同时可以达到很高的FMax，设计成功。

参考文献

感谢

仿真图像来源：
パセリ-COMITIA100