FPGA图像处理入门知识点来了！！VGA显示数字时钟相关工程代码

on1e · 发表于 2021-4-7 09:11

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近年来FPGA越来越多的应用于图像处理领域。我们先了解一下图像处理的基础课题，图像的显示。显示器在接收图像信号时有多种接口，例如DVI，HDMI，VGA等。在做图像显示之前，我们先了解一些基础知识。

VGA

VGA（Video Graphics Array 视频图形阵列）是IBM 于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA是最多制造商所共同支持的一个标准。个人电脑在加载自己的驱动程序之前，一般都支持VGA的标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有3排共15针，其中需要FPGA编程控制的只有5个信号，即R（红）、G（绿）、B（蓝）、HS（水平同步信号）、VS（垂直同步信号）。

RGB

RGB （red、green、blue）即三基色，是色彩系统的一种。色彩系统是一种常用的表示颜色的方式。应用于计算机屏幕，分别有：RGB色彩系统、CMYK色彩系统、YIQ色彩系统、YUV色彩系统、YCbCr色彩系统等。根据人眼的结构，所有颜色都可看成是三个基本颜色——红（R），绿（G），蓝（B）的不同组合。在实际中用的最多的是RGB系统。

计算机屏幕的显示通常用的是这种系统。使用画图软件或PS软件时，特别是在保持图片时，经常被要求选择图片保存的格式，例如24位色或256色的等，这是什么意思呢？RGB颜色系统使用红绿蓝的不同组合来表示千万种色彩，其中红绿蓝有不同的比例，例如将红色从最淡到最红分成256个等级，如果每一级用一个数字来表示，则256级就需要一个8位位宽的二进制数来表示。同样，绿色，蓝色也可以这么划分。

这样的话，就需要使用3个8位位宽的二进制数来表示，即RGB888，也就是24（8+8+8）位色。24位色，所能表示的颜色数量为2^24 = 1677,7216种，相近颜色的区别可以很小，已经超过了人眼睛的辨识能力，所以也叫真彩色（人眼大约能辨识100万种颜色）。256色指的是图片只使用256种颜色来表示。可以是rgb233或rgb332。

显示分辨率

显示分辨率。显示分辨率也称为像素分辨率，简称为分辨率，它是指可以使显示器显示的像素个数，通常用每行像素数乘每列像素数，例如：1024×768，表示显示器可以显示768行，1024列，共可显示786432个像素；分辨率为640×480，表示显示器可以显示480行，640列，共可显示307200个像素。

显然，分辨率越高，显示屏可显示的像素就越多，图像就越清晰。每个显示器都有自己的最高分辨率，并且可以兼容其它较低的显示分辨率，所以一个显示器可以用多种不同的分辨率显示。

PPI

PPI。(Pixels Per Inch)即像素密度，所表示的是每英寸所拥有的像素数量。因此PPI数值越高，即代表显示屏能够以越高的密度显示图像。当然，显示的密度越高，拟真度就越高。

多年前买手机的时候能听到一个词，“视网膜屏”，即分辨率超过人眼识别极限的高分辨率屏幕。视网膜（Retina）屏幕是手机公司”发明”的一个营销术语。屏幕的像素密度达到326像素/英寸（ppi），称之为“视网膜屏幕”。

刷新原理

显示器刷新原理。我们看到的显示屏的区域在刷新操作里叫做“显示区域”，但刷新操作会刷新一个比这显示区域要大的区域，整个被刷新或者扫描的区域叫做“扫描区域”。

扫描操作将整个行分成多个段，分别为水平同步段、扫描后沿、左边框（多数已经没有）、显示区域、右边框（多数已经没有）、扫描前沿，（垂直方向划分为垂直同步、扫描后沿、顶边框（多数已经没有）、显示区域、底边框（多数已经没有）、扫描前沿），这些段的长度在不同显示格式下不等，具体数值可以通过VESA的标准来查询。

扫描操作从扫描区域的最左上角开始，一直向右扫描，遇到HSYNC为高时（也就是一行扫描完毕），扫描点回到最左边，开始新一行的扫描。这样一行一行往下扫描，当遇到VSYNC为高时（也就是一场扫描完毕），扫描点回到最开始位置。显示频率为60Hz时，每秒刷新60场。

文字显示原理

文字显示原理。文字的显示，其实也是把文字当做图片，一个像素点一个像素点的来输出。

如果对正方形内字符的每一个像素点进行标记，哪些点应该显示白色，哪些点应该显示黑色，那么就可以在vga输出的时候，输出对应像素点的颜色值，也就能输出这个文字。

如何得到这个字的像素点颜色值呢？这儿我们可以使用一些工具，比如“PCtoLCD2002”这个软件。

VGA显示

VGA显示部分主要要做的是：
1、取得字模，包括0-9，和“：” 共10个字符
2、将字模按一定格式存入ROM。我在工程里使用的是128X64（高X宽）的字模，ROM中每个地址存字符的一行，也即ROM的位宽是64bit。但为了查询方便，并没有直接将字模依次存放进去，而是采用了如下的存放方法：

工程中我们取字模的时候，首先判断需要取哪个字符的字模，然后先查询到字模的首地址，再根据首地址依次加1来取出其他行的字模。这是因为VGA输出的时候，是一行行扫描的，也就是说字模需要一行行给出。这部分是整个项目的重难点，大家可以参考《lookup_rom》模块的内容。

3、改动VGA模块，使得可以输出显示区域的坐标XY值。也就是，当VGA扫描到显示区域的时候，把显示区域，也就是显示屏，的当前坐标输出出来。

4、控制模块。控制模块要根据VGA输出的XY值，以及字符想要显示的初始位置，确定要从rom中取哪个字符哪一行的字模。代码中当扫描到需要显示字符的那一行时，依次取出8个字符的所有该行要显示的字模，（比如，要显示的时间是 23：59：59，vga显示某一行时只需取8个字模里的同一行，其他行在vga扫描其他行的时候再取）。取出的字模拼接在一起，当X坐标到达位置的时候给出颜色值。