简介

卷积是图像处理中很常见的一种操作，3x3是最常见的窗口大小。

如果像素是一个个来的，要想实现3x3卷积，就得同时获取一个像素和它周围的8个像素，将输入像素缓存2行，这样就能同时获取3行的像素输入，此时再将这3个并行输入的像素移位进3x3窗口，就获得了3x3卷积模板，如图：
这里要注意，输入像素此时作为第三行数据输入3x3窗口，最下面的行缓存输出的才是第一行像素，上图窗口的右下角是3x3卷积模板的左上角，窗口的左上角是3x3卷积模板的右下角。
实现两行缓存并获取3x3卷积窗口，用shift-ram是最简单的实现方法。

shift-ram简介

shift-ram是一个ip核，quartus13.0中叫做Shift register(RAM based)
普通shift-ram如图：

带taps的shift-ram：

其实带taps的shift-ram就是多个普通shift-ram组合，使用带taps的shift-ram可以轻松实现行缓存，设定taps数量为2，taps间隔为一行的像素数(此处为640)，即可缓存两行。之后将这两个taps和输入像素移位进3x3窗口即可获得3x3卷积模板。

verilog源码

为了简单起见，输入和输出都是valid+data的形式。

module filter_3x3(
    input clk,
    input rst_n,

    input iValid,
    input [7:0] iData,

    output oValid,
    output reg [7:0] oData_11, oData_12, oData_13,
    output reg [7:0] oData_21, oData_22, oData_23,
    output reg [7:0] oData_31, oData_32, oData_33
);
    reg [7:0] row3_data;
    wire [7:0] row2_data;
    wire [7:0] row1_data;
    reg [1:0] Valid_shift;
    
    // shift_ram实现2行缓存
    line_shift_ram inst_line_shift_ram(
        .clock    (clk),
        .clken    (iValid),
        .shiftin  (row3_data),
        .taps0x   (row2_data),
        .taps1x   (row1_data),
        .shiftout ()
    );

    // 将输入数据寄存作为窗口第三行起始数据，同时也作为行缓存的输入
    always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
        if(!rst_n)
            row3_data <= 0;
        else if(iValid)
            row3_data <= iData;
    end

    // 获取3x3卷积模板
    always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
        if(!rst_n) begin
            {oData_11, oData_12, oData_13} <= 3'b000;
            {oData_21, oData_22, oData_23} <= 3'b000;
            {oData_31, oData_32, oData_33} <= 3'b000;
        end else if(iValid) begin
            {oData_11, oData_12, oData_13} <= {oData_12, oData_13, row1_data};
            {oData_21, oData_22, oData_23} <= {oData_22, oData_23, row2_data};
            {oData_31, oData_32, oData_33} <= {oData_32, oData_33, row3_data};
        end
    end

    // iValid打两拍输出
    always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
        if(!rst_n)
            Valid_shift <=  2'b00;
        else
            Valid_shift <= {Valid_shift[0], iValid};
    end

    assign oValid = Valid_shift[1];
endmodule

testbench

只仿真三行，每行640个像素。

`timescale 1ps/1ps
module test_tb;
    reg clk = 1'b1;
    always #10 clk = ~clk;
    reg rst_n = 1'b0;

    reg iValid = 1'b0;
    reg [7:0] iData = 0;

    wire oValid;
    wire [7:0] oData_11;
    wire [7:0] oData_12;
    wire [7:0] oData_13;
    wire [7:0] oData_21;
    wire [7:0] oData_22;
    wire [7:0] oData_23;
    wire [7:0] oData_31;
    wire [7:0] oData_32;
    wire [7:0] oData_33;
    
    initial begin
        #20 rst_n <= 1'b1;
        #20 iValid <= 1'b1;

        // 第一行数据
        repeat(640) begin
            iData <= $random;
            #20;
        end
        iValid <= 1'b0;

        #100 iValid <= 1'b1;
        // 第二行数据
        repeat(640) begin
            iData <= $random;
            #20;
        end
        iValid <= 1'b0;

        #100 iValid <= 1'b1;
        // 第三行数据
        repeat(640) begin
            iData <= $random;
            #20;
        end
        #500 $stop;
    end
    
    filter_3x3 inst_filter_3x3(
        .clk      (clk),
        .rst_n    (rst_n),
        .iValid   (iValid),
        .iData    (iData),
        .oValid   (oValid),
        .oData_11 (oData_11),
        .oData_12 (oData_12),
        .oData_13 (oData_13),
        .oData_21 (oData_21),
        .oData_22 (oData_22),
        .oData_23 (oData_23),
        .oData_31 (oData_31),
        .oData_32 (oData_32),
        .oData_33 (oData_33)
    );
endmodule

波形分析

可以看出，3x3卷积模板的第三行最先出现，然后是第二行，最后才是第一行。
输入像素第一行的最前面几个像素如图，前三个为36,129,9。

输入像素第二行最前面几个像素如图，前三个像素为235,248,242：

此时再来看输入像素第三行，前三个像素为121,205,146：

上图黄色竖线处即可看到oData11 ~ oData33为36,129,9,235,248,242,121,205,146，正是每一行的前三个像素。
这个模板的移动类似于下图，最开始时模板只有右下角一个像素，然后向右移动，遍历完一行就遍历下一行。

虽然跟正常的卷积比，这个模板向左上角错位了，但视觉上影响不大，用它来做图像处理足够了。