數(shù)字圖像是怎么通過模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字的？

0. 概述

做FPGA開發(fā)或者是嵌入式開發(fā)，數(shù)字圖像處理是一個(gè)很大的領(lǐng)域，回顧下大學(xué)里學(xué)的模電，數(shù)電，單片機(jī)原理，數(shù)字圖像處理，通信理論，MATLAB，目前比較前沿的Python等知識(shí)聯(lián)系起來，能更好的指明人生規(guī)劃的方向。

1. 模擬電路

都記得我們大學(xué)學(xué)習(xí)的一門課程，模擬電路嗎？難，枯燥，又感覺沒有鬼用。但其實(shí)它是模擬世界到數(shù)字世界的一道橋梁，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)01。我們現(xiàn)在想想，數(shù)字圖像是怎么通過模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字的？

光有強(qiáng)有弱，呈現(xiàn)在我們眼睛里就是一副灰度圖像（紅外圖像），再加上顏色區(qū)分就是彩色圖像（RGB圖像），再加上多個(gè)截面的圖像就是3D圖像（人臉識(shí)別的圖像）。光信號(hào)的強(qiáng)度大小需要經(jīng)過量化后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，即ADC轉(zhuǎn)換。對(duì)，就是模擬電路里面的模數(shù)轉(zhuǎn)換，例如用8位ADC將光信號(hào)量化位0~255的數(shù)字量就是灰度值，同時(shí)ADC轉(zhuǎn)化時(shí)需要配合一些運(yùn)放組成的模擬電路，ADC和運(yùn)放就是模擬電路。

光信號(hào)通過一路ADC和運(yùn)放組成的模擬電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)得到矩陣灰度值就是灰度圖像；那彩色圖像怎么來的了？我們知道任何顏色都是有RGB三色組合而來，那我們可以用R的濾光片將R色過濾出來給一路ADC和運(yùn)放組成的模擬電路轉(zhuǎn)化為R矩陣值，同樣得到G矩陣值和B矩陣值；最后得到的就是RGB的彩色圖像；采集多個(gè)截面的圖像對(duì)應(yīng)的RGB值就得到3D圖像了。

下面是通過python獲取一幅RGB圖片的信息，是一個(gè)矩陣9664*1728*3*8bits數(shù)據(jù)，其中第一個(gè)像素的值就是（227,232,236），它正是由3路ADC采集加運(yùn)放處理得到的數(shù)字量。

2. 數(shù)字電路和單片機(jī)原理

還記得數(shù)字電路上對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)都是VHDL的實(shí)驗(yàn)嗎？數(shù)字電路告訴我們各種數(shù)字邏輯：非或與異。這些邏輯讓我們能夠通過底層的邏輯來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的處理邏輯。還記得當(dāng)時(shí)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)嗎？先是通過最簡(jiǎn)單的各種門電路芯片（7系列數(shù)字芯片）來搭建數(shù)字交通燈等，接著是通過FPGA來搭建數(shù)字交通燈，還有用單片機(jī)來搭建數(shù)字交通燈，為什么同樣的實(shí)驗(yàn)要來來回回做了？老師從來沒有告訴過我們，我們也從來沒有想過為什么：

門電路搭建交通燈，是為了讓我們深刻理解數(shù)字電路的底層邏輯，這也是為什么很多做了很久FPGA的人還入不了門，搞不清FPGA的編程思想，把HDL當(dāng)成C來使用，有點(diǎn)我們從事FPGA開發(fā)的要明白，F(xiàn)PGA里面的最小單元是LUT+REG，而不是大學(xué)學(xué)的各種門；

FPGA來搭建交通燈，書本中用的是VHDL而不是Verilog，因?yàn)閂HDL更接近底層，通過HDL編程來讓我們明白硬件描述語言這個(gè)強(qiáng)大的工具，能不能弄透HDL決定你是否完全入門FPGA；

接著是使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)交通燈，這個(gè)時(shí)候我們用的是匯編或者C來實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)最好的過程還是先匯編后C來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@門課程是單片機(jī)原理，目的是讓大家學(xué)習(xí)后懂了單片機(jī)原理。

而現(xiàn)在的FPGA應(yīng)用中不光是HDL的開發(fā)，而是HDL+CPU開發(fā)，已經(jīng)越來越是嵌入式的集合體，所以我們思路更需要打開：

現(xiàn)在回想起來，大學(xué)里面學(xué)的數(shù)字電路都是重要的基礎(chǔ)理論知識(shí)，懂得數(shù)字電路和單片機(jī)原理，才能更好的用來學(xué)習(xí)FPGA、單片機(jī)、DSP等。但是從來沒有老師告訴我們交叉學(xué)習(xí)這些理論的重要性，而只是玩玩混混實(shí)驗(yàn)。

3. 數(shù)字信號(hào)處理、通信理論等

還記得數(shù)字信號(hào)處理一開始接介紹了ADC，接著就是各種看不懂而沒意思的公式，卷積、傅里葉等等。那時(shí)候，唯一的有點(diǎn)實(shí)踐的操作就是MATLAB上機(jī)實(shí)驗(yàn)，但大多是抄抄抄。更不用說通信理論了，那東西更是空空空，感覺一輩子也不會(huì)用上。

但是，我們發(fā)現(xiàn)隨著工作年限和能力的提升，我們也后悔當(dāng)初沒學(xué)好這些理論知識(shí)，工程實(shí)踐沒了這些理論知識(shí)，身價(jià)掉好多，F(xiàn)PGA做算法的待遇你懂的，但是要做好需要很強(qiáng)的數(shù)學(xué)等理論功底。

比如：下面的FFT的IP核使用，IP核例化使用沒什么難的，但是對(duì)應(yīng)的原理和如何進(jìn)行信號(hào)處理的話，就需要我們?nèi)パa(bǔ)補(bǔ)相關(guān)的理論：

同樣，H.264視頻壓縮相關(guān)的概念也和信息論理論有很大的關(guān)系，雖然說我會(huì)用就行了，不一定要懂的理論知識(shí)，但是玩的轉(zhuǎn)的大牛都是對(duì)理論理解很徹底的。

4. MATLAB和PYTHON

MATLAB是之前我們做嵌入式常用的高級(jí)語言驗(yàn)證工具，用來學(xué)習(xí)理解線性函數(shù)等數(shù)學(xué)原理，驗(yàn)證算法，生成ROM的參數(shù)表等?，F(xiàn)在比較火的Python也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，而且還非常容易上手，可以用它做一些簡(jiǎn)單的操作來加速工程開發(fā)，下面是通過Python的PIL庫做的一些簡(jiǎn)單圖像處理的效果圖，有興趣的話，大家可以去做更深入的研究：

RGB轉(zhuǎn)灰度圖效果：

邊緣檢測(cè)效果：

直方圖均衡效果：

5. 個(gè)人感觸

回顧大學(xué)數(shù)模電，覺得以前沒用的東西，現(xiàn)在很有用而不得不得去重弄。所以，不管你現(xiàn)在在做什么，做的并不是感覺上的毫無用處，指不定未來就靠它來改變你的命運(yùn)，為了以后的自己，做最好的現(xiàn)在。

如果你很幸運(yùn)，還在上大學(xué)，就應(yīng)該把大學(xué)所學(xué)的東西當(dāng)成一個(gè)整體，學(xué)以致用，比同齡人再走遠(yuǎn)一步。