基于system verilog的图像处理验证平台（一） bmp文件解析

基于FPGA的图像处理中，rtl代码的仿真验证一直是重中之重, 之前也在我们的书中《基于FPGA的数字图像处理原理及应用》（电子工业出版社）中提出了基于VC和verilog的仿真验证平台。该验证平台仅能提供简单的图像数据的交互，并且需要VC平台的交互。VC可提供较好的UI功能，但是对于一些中间结果的验证还是比较麻烦。最近刚好学习了system verilog，其面对对象的设计特性很类似于C++，可完整实现更加方便和功能更加全面的testbench平台。

今天主要介绍bmp文件的读取及解析。bmp文件的格式详解可参考以下链接：

https://www.cnblogs.com/l2rf/p/5643352.html

bmp文件解析主要是bmp文件头的解析以及图像数据内容的重定位。bmp文件头主要类型定义如下：

typedef struct{
        u32   biSize;
        u32   biWidth;
        u32   biHeight;
        u16   biPlanes;
        u16   biBitCount;
        u32   biCompression;
        u32   biSizeImage;
        u32   biXPelsPerMeter;
        u32   biYPelsPerMeter;
        u32   biClrUsed;
        u32   biClrImportant;
    } BITMAPINFOHEADER;

    typedef struct {
        u8    rgbBlue;
        u8    rgbGreen;
        u8    rgbRed;
        u8    rgbReserved;
    } RGBQUAD;


    typedef struct {
        BITMAPINFOHEADER    bmiHeader;
        RGBQUAD             bmiColors[1];
    } BITMAPINFO;

    typedef struct  {
        u16    bfType;
        u32    bfSize;
        u16    bfReserved1;
        u16    bfReserved2;
        u32    bfOffBits;
    } BITMAPFILEHEADER;

bmp文件主要有两个header，包括一个14字节的header BITMAPFILEHEADER，包含了bmp文件头信息，以及一个40字节的header BITMAPINFOHEADER，包含了bmp文件的图像相关信息。

解析的主要要点有：

1 内存存放问题：分辨率不为4的倍数的每一行之后会补零，保证每一行的占用内存是4的倍数；

2 数据组织问题：bmp的组织原则是首先存放最后一行，接着倒数第二行，以此类推，解析时需还原；

解析代码如下：（代码为system verilog）

class spk_bmp;
    
    function void trans_16(reg [15:0] _reg,ref u16 dat);
        dat = (_reg[7:0]<<8) + _reg[15:8];
    endfunction
    
    function void trans_32(reg [31:0] _reg,ref u32 dat);
        dat = (_reg[7:0]<<24)+ (_reg[15:8]<<16)+ (_reg[23:16]<<8) + _reg[31:24];
    endfunction
    
    function  int LoadVectorFromBMPFile(string name,ref u8 data[], ref u16 height,ref u16 width,ref u16 flag);
        u32 skip,position;
        u32 dwSize;
	    u32 dReadWidth;
        reg [8*14-1:0] header1;
        reg [8*40-1:0] header2;
        reg [8-1:0]    data_tmp; 
        u32 off = 8*14-1;
        BITMAPFILEHEADER bfh;
        BITMAPINFO bmi;
        
        //判断文件是否存在
        int fp = $fopen(name, "r");
        if(!fp) begin 
            $display("Error: can not open file: %s!",name);
            $stop;
            return -1;
        end 
       
        //读header1
        $fread(header1,fp,0,14); off = 14*8 - 1;
        trans_16(header1[off -: 2*8],bfh.bfType);       off -= 2*8;
        trans_32(header1[off -: 4*8],bfh.bfSize);       off -= 4*8;
        trans_16(header1[off -: 2*8],bfh.bfReserved1);  off -= 2*8;
        trans_16(header1[off -: 2*8],bfh.bfReserved2);  off -= 2*8;
        trans_32(header1[off -: 4*8],bfh.bfOffBits);    off -= 4*8;
        
        if(bfh.bfType != 16'h4d42) begin  
            $display("Error: '%s' is not a bmp file!",name);
            $stop;
            return -1;
        end 
        
        //读header2
        $fread(header2,fp,14,40); off = 40*8 - 1;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biSize);          off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biWidth);         off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biHeight);        off -= 4*8;
        trans_16(header2[off -: 2*8],bmi.bmiHeader.biPlanes);        off -= 2*8;
        trans_16(header2[off -: 2*8],bmi.bmiHeader.biBitCount);      off -= 2*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biCompression);   off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biSizeImage);     off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biXPelsPerMeter); off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biYPelsPerMeter); off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biClrUsed);       off -= 4*8;
        trans_32(header2[off -: 4*8],bmi.bmiHeader.biClrImportant);  off -= 4*8;
        
        height = bmi.bmiHeader.biHeight;
        width  = bmi.bmiHeader.biWidth;
        flag   = bmi.bmiHeader.biBitCount; 
        
        if(flag == 24) width *= 3; //真彩图
		dwSize     = height * width; 
        dReadWidth = (width+3)/4*4;         
        data       = new[dwSize];
        skip       = dReadWidth - width; 
        position   = dwSize - width;
        off        = bfh.bfOffBits; //第一行图像数据偏移 
        
        $fseek(fp,off,0);
        for(int i = 0;i < height;i++) begin 
            for(int j = 0;j < width;j++) begin
                $fread(data_tmp,fp,off,1); 
                data[position] = data_tmp;
                off++;
                $fseek(fp,off,0);
                position++;
            end 
            position -= 2*width;
            off += skip;            
        end 
        
        $fclose(fp);
        if(flag==24) width /= 3;
    endfunction

endclass : spk_bmp

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