1)實驗平臺：正點原子開拓者FPGA 開發板

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第五十四章 基于 OV5640 的數字識別實驗

數字是人們日常生活中進行信息交流時不可缺少的信息載體，面對大量的數字如何讓機器

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，同時，數字識別必然涉及

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

處理有一個基本的認識。本章包括以下幾個部分：

54.1 簡介

54.2 實驗任務

54.3 硬件設計

54.4 程序設計

54.5 下載驗證

簡介

數字識別一般通過特征匹配及特征判別的方法來進行處理，前者一般適用于規范化的印刷

體字符識別，現今該技術基本成熟，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字識別入手，了解特征匹配識別的應用。

數字特征識別是通過對數字的形狀以及結構等幾何特征進行分析與統計，通過對數字特征

的匹配從而達到對圖像中數字的識別，如下圖所示：

圖 54.1.1 數字幾何特征

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

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

圖 54.1.2 數字0的幾何特征

紅框是數字的邊界，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與數字0有兩個交點，左右(以y為分界)各一個，x2同樣與數字0有兩個交點，左

右各一個，y與數字0有兩個交點。以此統計數字特征實現識別，如下表所示：

表 54.1.1 數字特征表

實驗任務

本章我們在開拓者FPGA開發板上實現數字識別，利用4'3寸RGB屏顯示OV5640攝像頭捕獲到

的數字，并將識別到的數字顯示在數碼管上。

硬件設計

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”的基礎上搭建本實驗。

程序設計

根據實驗任務，我們設計如圖 54.4.1所示的系統架構，OV5640攝像頭采集到的數據通過

寫FIFO模塊wrfifo寫入SDRAM，然后通過讀FIFO模塊讀出，讀出的數據在LCD驅動模塊的驅動下

進入vip模塊，在vip模塊內部圖像數據先由rgb2ycbcr模塊將RGB轉化為YCbCr，然后進行二值

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

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

的數字送入數碼管驅動模塊顯示在數碼管上。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 系統架構

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據使能信號pre_frame_de、幀行同步信號pre_frame_hsync、幀

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

驅動模塊輸入。輸出除了vip模塊處理后的幀數據使能信號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字信號digit，由于開拓者開發板板載6位數碼管，每位數碼管用壓縮的8421BCD編碼顯示，總共需要4*6=24位，

即digit信號位寬為24位，該信號輸出給數碼管驅動模塊在數碼管上顯示識別到的數字

vip模塊有五個參數，如下圖所示：

圖 54.4.3 vip模塊的參數

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

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是數據的位寬，主要用于確定數字邊界大小的位寬，與水平和垂直像素大小

有關。

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

圖 54.4.4 vip模塊的子模塊

rgb2ycbcr是RGB轉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RGB到YCbCr的轉換，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，內部進行rgb565到YCbCr的轉換，依據OV5640的官

方手冊，轉換公式如下：

圖 54.4.6 RGB888轉YCbCr

需要注意的是這里的RGB為RGB888，所以我們需要將RGB565轉換為RGB888。可以采用高位

填充低位的方式，如下圖所示：

圖 54.4.7 RGB565轉RGB888

只所以進行色彩空間的轉換，是因為后面我們需要根據亮度信息進二值化處理，而YCbCr

色彩空間的特點是將亮度和色度分離開，從而適合于圖像處理。后面我們根據亮度信息Y進行

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，也是進行圖像分析、特征提取與模式識別之前的必要的圖像預處理過程。

模塊接口如下圖所示：

圖 54.4.8 binarization模塊接口定義

根據輸入的color轉換為相應的二值化圖像輸出，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是像素變化的標志信號，即由1變為0。

3) projection 投影分割模塊

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

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 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

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col_border_addr_rd[0]為0時存放的數字的左列邊界信息，為1時存

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

project_done_flag是投影完成標志，表明可以進行后期處理。

4) digital recognition 特征匹配識別模塊

digital recognition是特征匹配識別模塊，根據投影分割模塊對分割后的單個數字進行

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列的數字，每個數字用壓縮的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

圖像和圖像中數字的邊界。

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

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

數進行處理，FPGA中對于小數的處理通常有三種方法：

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

過移位實現除的效果，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YCbCr

時就用到了此方法；

方法2：將小數進行定點化處理。所謂的定點化就是人為的確定用多少位來表示小數，即

把1多少等分。如果我們用6個位來表示小數，相當于將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用二進制表示為011010，所以2/5即0.4的6位定點化為011010。

方法3：使用IP核。使用軟件提供的處理浮點數的IP核或乘除IP核。

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

圖 54.4.12 特征匹配

介紹完了vip整個模塊，我們還需要對lcd驅動模塊進行相應的修改，關鍵的修改點如下：

圖 54.4.13 修改lcd驅動模塊

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、數字以及下劃線組成，不能出現中文、空格以及特

殊字符等。工程打開后如下圖所示：

圖 54.5.1 數字識別實驗工程

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

連接電源線并打開電源開關。接下來我們下載程序，驗證數字識別功能。

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

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

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

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

圖所示：

圖 54.5.2 程序下載完成界面

下載完成后，我們將下圖中的數字圖片合適的放在OV5640攝像頭前面。

圖 54.5.3 需識別的數字

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

數碼管顯示2345。

圖 54.5.4 實驗結果

至此，我們的數字識別實驗就完成了。

總結

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