FPGA实现双线性插值任意比例的图像缩放，HLS封装IP，提供两套工程源码

1、双线性插值算法简介

已知的红色数据点与待插值得到的绿色点。 假如我们想得到未知函数 f 在点 P= (x,y) 的值，假设我们已知函数 f 在 Q11 = (x1,y1)、Q12 = (x1,y2),Q21 = (x2,y1) 以及 Q22 = (x2,y2) 四个点的值。首先在 x 方向进行线性插值，得到 R1 和 R2，然后在 y 方向进行线性插值，得到 P。这样就得到所要的结果 f(x,y)。其中红色点 Q11,Q12,Q21,Q22 为已知的 4 个像素点。

第一步：X 方向的线性插值，在 Q12,Q22 中插入蓝色点 R2，Q11，Q21 中插入蓝色点R1； 第二步：Y 方向的线性插值，通过第一步计算出的 R1 与 R2 在 y 方向上插值计算出 P点。 线性插值的结果与插值的顺序无关。首先进行 y 方向的插值，然后进行 x 方向的插值，所得到的结果是一样的。双线性插值的结果与先进行哪个方向的插值无关。如果选择一个坐标系统使得四个已知点坐标分别为 (0, 0)、(0, 1)、(1, 0) 和 (1, 1)，那 么插值公式就可以化简为f(x,y)=f(0,0)(1-x)(1-y)+f(1,0)x(1-y)+f(0,1)(1-x)y+f(1,1)xy，具体的双线性插值算法描述如下：

对于一个目标像素，通过反向变换得到的浮点坐标为(i+u，j+v) (其中 i、j 均为浮点坐标的整数部分，u、v 为浮点坐标的小数部分，是取值[0，1)区间的浮点数)，则这个像素值 f(i+u，j+v) 可由原图像中坐标为 (i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)、(i+1，j+1)所对应的周围四个像素的值决定，即：f(i+u，j+v) = (1-u)(1-v)f(i，j) + (1-u)vf(i，j+1) + u(1-v)f(i+1，j) + uvf(i+1，j+1)；其中 f(i，j)表示源图像(i，j)处的的像素值，以此类推。比如，刚才的例子，现在假定目标图的像素坐标为（1，1），那么反推得到的对应于源图的坐标是（0.75 ， 0.75）， 这其实只是一个概念上的虚拟像素，实际在源图中并不存在这样一个像素，那么目标图的像素（1，1）的取值不能够由这个虚拟像素来决定，而只能由源图的这四个像素共同决定：（0，0）（0，1）（1，0）（1，1），而由于（0.75，0.75）离（1，1）要更近一些，那么（1，1）所起的决定作用更大一些，这从公式 1 中的系数 uv=0.75×0.75就可以体现出来，而（0.75，0.75）离（0，0）最远，所以（0，0）所起的决定作用就要小一些，公式中系数为(1-u)(1-v)=0.25×0.25 也体现出了这一特点。

2、双线性插值算法的HLS实现与IP封装

建立HLS工程，粘贴复制源码编译即可，然后封装IP，HLS源码在文章末尾。 封装后的IP如下图： IP不需要点击配置，直接连线即可使用。

3、本缩放方案的优缺点及性能

1：最大分辨率支持1920x1080@60Hz，如果需要更大分辨率，需要更改HLS代码，很简单； 2：输入输出接口为AXI4-Stream，适用于Xilinx官方推荐的基于VDMA的凸显缓存方案，注意，输入输出接口不是VGA； 3：支持任意比例、任意尺寸的图像缩放，也就是常说的无极缩放； 4：HLS方式实现，即Xilinx的C++语言实现，然后由HLS工具翻译为verilog代码，所以verilog代码的阅读性不强； 5：IP需要配置才能使用，需要zynq平台，如果使用7系列FPGA，则需要调用MicroBlaze软核模拟zynq使用； 6：对于不习惯使用zynq或者不喜欢调用MicroBlaze软核或者所使用的FPGA逻辑资源有限的用户，可以使用我的另一款图像缩放方案，该方案的视频输入输出为VGA时序，不需要配置，占用资源很少，也支持任意比例、任意尺寸的图像缩放，博客及其源码下载链接：点击直接前往

4、vivado工程介绍

FPGA型号：zynq7100，可移植到其他FPGA型号，7系列FPGA可调用MicroBlaze实现zynq功能； 开发环境：vivado2019.1； 输入：OV5640 摄像头； 不缩放测试：OV5640 摄像头720P分辨率不缩放正常输出； 放大测试：将 720P 分辨率图像放大到 1080P输出； 缩小测试：将 720P 分辨率图像缩小到 640x480输出； 本章实现的缩放 IP 主要用于功能验证，可以在此基础上，对数据流进行进一步处理，这里不在赘述。

5、OV5640摄像头720P原分辨率输出实验

此工程的目的是为了对比缩放的效果； 输入：OV5640 摄像头，分辨率720P； 输出：HDMI显示背景1080P，有效图像区720P； BD工程如下： SDK源码如下：

#include "I2C_16bit.h"
#include "xiicps.h"
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "color.h"

#define VDMA_BASEADDR	XPAR_AXI_VDMA_0_BASEADDR

#define VIDEO_BASEADDR0 0x01000000
#define VIDEO_BASEADDR1 0x02000000
#define VIDEO_BASEADDR2 0x03000000

#define H_ACTIVE	1920
#define V_ACTIVE	1080
#define H_STRIDE	1920

XIicPs	Iic;

u32 i=0;
//#define SUM   8294400 //背景写黑  1920*1080*4
#define SUM   H_ACTIVE*V_ACTIVE*4 //背景写黑  1920*1080*4

void main()
{
	// Initialize OV5640 regesiter
	I2C_config_init();
	//设置内存中的背景
	for(i=0;i