1)實驗平臺：正點(diǎn)原子開拓者FPGA 開發(fā)板

2)摘自《開拓者FPGA開發(fā)指南》關(guān)注官方微信號公眾號，獲取更多資料：正點(diǎn)原子

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第五十四章 基于 OV5640 的數(shù)字識別實驗

數(shù)字是人們?nèi)粘Ｉ钪羞M(jìn)行信息交流時不可缺少的信息載體，面對大量的數(shù)字如何讓機(jī)器

識別處理，包括身份證號識別、車牌號識別等就成為了一個研究點(diǎn)，同時，數(shù)字識別必然涉及

到圖像處理，本章我們通過數(shù)字特征識別入手對數(shù)字識別有一個基本的了解，以及對數(shù)字圖像

處理有一個基本的認(rèn)識。本章包括以下幾個部分：

54.1 簡介

54.2 實驗任務(wù)

54.3 硬件設(shè)計

54.4 程序設(shè)計

54.5 下載驗證

簡介

數(shù)字識別一般通過特征匹配及特征判別的方法來進(jìn)行處理，前者一般適用于規(guī)范化的印刷

體字符識別，現(xiàn)今該技術(shù)基本成熟，后者多用于手寫字符識別，其研究還處于探索階段，識別

率還比較低。本章我們通過對印刷體數(shù)字識別入手，了解特征匹配識別的應(yīng)用。

數(shù)字特征識別是通過對數(shù)字的形狀以及結(jié)構(gòu)等幾何特征進(jìn)行分析與統(tǒng)計，通過對數(shù)字特征

的匹配從而達(dá)到對圖像中數(shù)字的識別，如下圖所示：

圖 54.1.1 數(shù)字幾何特征

x1、x2是水平方向的兩條直線，與數(shù)字長度成特定比例關(guān)系，y是豎直方向的直線，占數(shù)

字寬度一半，這三條線與數(shù)字的交點(diǎn)可以得到數(shù)字的特征值。下面以數(shù)字0為例，如下圖所示：

圖 54.1.2 數(shù)字0的幾何特征

紅框是數(shù)字的邊界，x1取上下邊界的2/5處，x2取上下邊界的2/3處，y取左右邊界的1/2，

可以看到x1與數(shù)字0有兩個交點(diǎn)，左右(以y為分界)各一個，x2同樣與數(shù)字0有兩個交點(diǎn)，左

右各一個，y與數(shù)字0有兩個交點(diǎn)。以此統(tǒng)計數(shù)字特征實現(xiàn)識別，如下表所示：

表 54.1.1 數(shù)字特征表

實驗任務(wù)

本章我們在開拓者FPGA開發(fā)板上實現(xiàn)數(shù)字識別，利用4'3寸RGB屏顯示OV5640攝像頭捕獲到

的數(shù)字，并將識別到的數(shù)字顯示在數(shù)碼管上。

硬件設(shè)計

本次實驗用到了OV5640攝像頭、SDRAM、4'3寸RGB TFT-LCD模塊，我們可以在“OV5640攝

像頭RGB TFT-LCD顯示實驗”的基礎(chǔ)上搭建本實驗。

程序設(shè)計

根據(jù)實驗任務(wù)，我們設(shè)計如圖 54.4.1所示的系統(tǒng)架構(gòu)，OV5640攝像頭采集到的數(shù)據(jù)通過

寫FIFO模塊wrfifo寫入SDRAM，然后通過讀FIFO模塊讀出，讀出的數(shù)據(jù)在LCD驅(qū)動模塊的驅(qū)動下

進(jìn)入vip模塊，在vip模塊內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)先由rgb2ycbcr模塊將RGB轉(zhuǎn)化為YCbCr，然后進(jìn)行二值

化處理，得到二值圖像，對二值圖像進(jìn)行水平垂直投影即圖像分割，得到各個數(shù)字的水平和垂

直邊界，將數(shù)字邊界信息送入特征識別模塊進(jìn)行特征匹配，從而識別圖像中的數(shù)字，將識別到

的數(shù)字送入數(shù)碼管驅(qū)動模塊顯示在數(shù)碼管上。LCD顯示器顯示處理后的二值化圖像和圖像的邊

界。

圖 54.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

了解了整個處理流程后，我們來看一下底層硬件中各個模塊的設(shè)計思路。由于除vip模塊

之外的模塊都在先前的實驗中介紹過，這里就不多做介紹。

圖 54.4.2 vip模塊接口定義

vip模塊的輸入端除了幀數(shù)據(jù)使能信號pre_frame_de、幀行同步信號pre_frame_hsync、幀

場同步信號pre_frame_vsync外，還有位置坐標(biāo)信號xpos和ypos和像素pre_rgb，這些信號由LCD

驅(qū)動模塊輸入。輸出除了vip模塊處理后的幀數(shù)據(jù)使能信號post_frame_de、幀行同步信號

post_frame_hsync、幀場同步信號post_frame_vsync外，還有一個識別后的數(shù)字信號digit，由于開拓者開發(fā)板板載6位數(shù)碼管，每位數(shù)碼管用壓縮的8421BCD編碼顯示，總共需要4*6=24位，

即digit信號位寬為24位，該信號輸出給數(shù)碼管驅(qū)動模塊在數(shù)碼管上顯示識別到的數(shù)字

vip模塊有五個參數(shù)，如下圖所示：

圖 54.4.3 vip模塊的參數(shù)

NUM_ROW和NUM_COL分別指需識別的數(shù)字的行數(shù)和列數(shù)，這里我們指定識別1行4列的數(shù)字；

H_PIXEL和V_PIXEL是圖像的水平和垂直像素大小，因為在4'3寸RGB屏上顯示，其分辨率為

480*272；DEPBIT是數(shù)據(jù)的位寬，主要用于確定數(shù)字邊界大小的位寬，與水平和垂直像素大小

有關(guān)。

vip模塊是封裝層模塊，是對圖像處理子模塊的頂層封裝，其內(nèi)部模塊如下圖所示：

圖 54.4.4 vip模塊的子模塊

rgb2ycbcr是RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊、binarization是二值化模塊、projection是投影分割模塊、

digital recognition是特征匹配識別模塊。下面我們按照處理的先后順序依次介紹各模塊。

1) rgb2ycbcr 模塊

rgb2ycbcr模塊實現(xiàn)RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換，模塊接口如下圖所示：

圖 54.4.5 rgb2ycbcr模塊接口定義

可以看到輸入為rgb565，輸出為ycbcr，內(nèi)部進(jìn)行rgb565到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換，依據(jù)OV5640的官

方手冊，轉(zhuǎn)換公式如下：

圖 54.4.6 RGB888轉(zhuǎn)YCbCr

需要注意的是這里的RGB為RGB888，所以我們需要將RGB565轉(zhuǎn)換為RGB888?？梢圆捎酶呶?/p>

填充低位的方式，如下圖所示：

圖 54.4.7 RGB565轉(zhuǎn)RGB888

只所以進(jìn)行色彩空間的轉(zhuǎn)換，是因為后面我們需要根據(jù)亮度信息進(jìn)二值化處理，而YCbCr

色彩空間的特點(diǎn)是將亮度和色度分離開，從而適合于圖像處理。后面我們根據(jù)亮度信息Y進(jìn)行

二值化。

2) binarization 二值化模塊

binarization是二值化模塊，圖像二值化的目的是最大限度的將圖象中感興趣的部分保留

下來，在很多情況下，也是進(jìn)行圖像分析、特征提取與模式識別之前的必要的圖像預(yù)處理過程。

模塊接口如下圖所示：

圖 54.4.8 binarization模塊接口定義

根據(jù)輸入的color轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二值化圖像輸出，輸出的monoc為像素的二值化后的信息，

1代表白色，0代表黑色，monoc_fall是像素變化的標(biāo)志信號，即由1變?yōu)?。

3) projection 投影分割模塊

projection是投影分割模塊，實現(xiàn)對二值化后的圖像的水平垂直投影，從而實現(xiàn)對圖像的

分割。模塊接口如下圖所示：

圖 54.4.9 projection模塊接口定義

該 模 塊 輸 出 投 影 后 得 到 的 邊 界 信 息 ， row_border_data_rd 是 行 邊 界 信 息 ，

col_border_data_rd是列邊界信息，這些信息存放在自定義的ram里面，如下圖所示：

圖 54.4.10 自定義存儲邊界信息的ram接口

當(dāng) 外 面 模 塊 需 要 讀 取 邊 界 信 息 時 ， 只 需 要 通 過 給 定 地 址 row_border_addr_rd 和

col_border_addr_rd就可得到邊界地址信息，需要說明的是對于row_border_addr_rd而言，當(dāng)

row_border_addr_rd[0]為0時存放的是行上邊界信息，為1時存放的是行下邊界信息，對于

col_border_addr_rd，當(dāng)col_border_addr_rd[0]為0時存放的數(shù)字的左列邊界信息，為1時存

放的是右列邊界信息。num_col是采集到的數(shù)字列數(shù)，num_row是采集到的數(shù)字行數(shù)，

project_done_flag是投影完成標(biāo)志，表明可以進(jìn)行后期處理。

4) digital recognition 特征匹配識別模塊

digital recognition是特征匹配識別模塊，根據(jù)投影分割模塊對分割后的單個數(shù)字進(jìn)行

特征匹配識別。模塊接口如下圖所示：

圖 54.4.11 digital recognition模塊接口定義

該模塊最主要的輸出是識別到的數(shù)字digit和color_rgb，可以看到這里的digit是16位的，

這是因為我們識別的1行4列的數(shù)字，每個數(shù)字用壓縮的8421BCD編碼表示，需要4*4=16位，digit

的位寬是自動匹配的，不需要關(guān)心。輸出的color_rgb信息顯示在RGB顯示屏上，為二值化后的

圖像和圖像中數(shù)字的邊界。

該模塊主要用到我們在簡介中介紹到的數(shù)字特征，由于獲取數(shù)字特征的x1和x2是邊界的小

數(shù)如2/5(0.4)、2/3(0.6667)，而Verilog HDL不直接支持小數(shù)的使用，所以需要對這些小

數(shù)進(jìn)行處理，FPGA中對于小數(shù)的處理通常有三種方法：

方法1：將小數(shù)乘某個數(shù)(一般為2的指數(shù))得到一個整數(shù)，再將乘積除以該整數(shù)，一般通

過移位實現(xiàn)除的效果，如0.25，乘以4得到1，乘積右移2位(除以4)即可，我們在RGB轉(zhuǎn)YCbCr

時就用到了此方法；

方法2：將小數(shù)進(jìn)行定點(diǎn)化處理。所謂的定點(diǎn)化就是人為的確定用多少位來表示小數(shù)，即

把1多少等分。如果我們用6個位來表示小數(shù)，相當(dāng)于將1分成2^6=64等份，每份為1/64=

0.015625，如果我們想用此表示2/5，只需要知道2/5中有多少個1/64(0.015625)，2/5除以

1/64為25.6，約等于26，26用二進(jìn)制表示為011010，所以2/5即0.4的6位定點(diǎn)化為011010。

方法3：使用IP核。使用軟件提供的處理浮點(diǎn)數(shù)的IP核或乘除IP核。

識別數(shù)字的方法使用的是簡介部分的數(shù)字特征表，特征匹配的Verilog HDL實現(xiàn)如下：

圖 54.4.12 特征匹配

介紹完了vip整個模塊，我們還需要對lcd驅(qū)動模塊進(jìn)行相應(yīng)的修改，關(guān)鍵的修改點(diǎn)如下：

圖 54.4.13 修改lcd驅(qū)動模塊

只所以需要修改是因為之前我們使用的是lcd_de信號，現(xiàn)在我們需要使用lcd_hs和lcd_vs

信號。

下載驗證

首 先 我 們 打 開 數(shù)字識別工 程digital_recognition ， 在 工 程 所 在 的 路 徑

下 打 開digital_recognition/par文件夾，在里面找到“digital_recognition.qpf”并雙擊

打開。注意工程所在的路徑名只能由字母、數(shù)字以及下劃線組成，不能出現(xiàn)中文、空格以及特

殊字符等。工程打開后如下圖所示：

圖 54.5.1 數(shù)字識別實驗工程

將下載器一端連電腦，另一端與開發(fā)板上對應(yīng)端口連接，接上OV5640和4.3寸RGB顯示屏后，

連接電源線并打開電源開關(guān)。接下來我們下載程序，驗證數(shù)字識別功能。

工程打開后通過點(diǎn)擊工具欄中的“Programmer”圖標(biāo)打開下載界面，通過“Add File”按

鈕選擇digital_recognition /par/output_files目錄下的“digital_recognition.sof”文件。

在程序下載界面點(diǎn)擊“Hardware Setup”，在彈出的對話框中選擇當(dāng)前的硬件連接為“USB

Blaster[USB-0]”。然后點(diǎn)擊“Start”將工程編譯完成后得到的sof文件下載到開發(fā)板中，如

圖所示：

圖 54.5.2 程序下載完成界面

下載完成后，我們將下圖中的數(shù)字圖片合適的放在OV5640攝像頭前面。

圖 54.5.3 需識別的數(shù)字

從下圖實驗結(jié)果中我們可以看到RGB顯示屏上顯示出捕獲到的數(shù)字，并框出數(shù)字的邊界，

數(shù)碼管顯示2345。

圖 54.5.4 實驗結(jié)果

至此，我們的數(shù)字識別實驗就完成了。

總結(jié)

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