VHDL Lanczos-3 Image Scaler

Final Project Perancangan Sistem Digital Kelompok 22

Anggota Kelompok:

• Reyhan Batara (2406348950)
• Danish Putra Devananda (2406354202)
• Mohammad Ariq Haqi (2406431271)
• Jonathan Christopher (2406349423)

Project Overview

Proyek ini merupakan suatu implementasi High-Quality Image Upscaler yang dirancang secara modular menggunakan VHDL. Sistem ini membaca file gambar BMP (Bitmap), melakukan operasi matematika konvolusi 2D dengan menggunakan kernel Lanczos-3, dan menghasilkan file BMP baru dengan resolusi yang telah ditingkatkan.

Inti dari sistem ini adalah Lanczos Resample Engine, yang menghitung interpolasi pixel dengan menjaga ketajaman detail (edge preservation) yang jauh lebih baik dibandingkan metode standar seperti Bilinear atau Bicubic.

Key Capabilities

• True BMP Processing: Testbench mampu membaca dan menulis file .bmp 24-bit RGB secara langsung, termasuk menangani header parsing dan byte padding.
• Border Replication Strategy: Menangani masalah tepi gambar (boundary artifacts) dengan menduplikasi pixel tepi, memastikan kernel Lanczos memiliki data valid saat memproses area pinggir.
• Sub-Pixel Precision: Menggunakan pemetaan koordinat $(out_x+0.5)/scale - 0.5$ untuk akurasi geometris pusat pixel.
• Separable Convolution: Melakukan pemfilteran Horizontal dan Vertikal secara berurutan untuk efisiensi komputasi.

---

System Architecture & Modules

Desain sistem dibagi menjadi 5 file VHDL utama untuk memenuhi prinsip Structural Programming dan Modularity.

1. img_types.vhd (Global Definition)

   • Fungsi: Mendefinisikan custom data type agar konsisten di seluruh modul.
   • Isi: Record pixel_rgb (Integer 0 - 255 untuk RGB) dan array type 2D img_buffer.

2. border_replicator.vhd (Pre-Processing)

   • Fungsi: Menyiapkan "kanvas" gambar yang lebih besar.
   • Logika: Menambahkan padding di sekeliling gambar asli. Area kosong akan diisi dengan Edge Replication (mengulang pixel terluar), bukan zero-padding, untuk mencegah garis hitam di tepi gambar hasil.

3. lanczos_resample_engine.vhd (Inti Dari Segalanya)

   • Fungsi: Melakukan komputasi matematika berat (Konvolusi).
   • Algoritma:
     • Menghitung koordinat sumber (float) dari koordinat target.
     • Menghitung bobot kernel Lanczos-3 ($sinc(x) \times sinc(x/3)$) untuk 6-tap window.
     • Melakukan akumulasi nilai pixel (Konvolusi) secara horizontal kemudian vertikal.
     • Saturation/Clamping hasil ke range 0 - 255.

4. lanczos3_scaler.vhd (Top Level Controller)

   • Fungsi: Pengendali utama (Wrapper) yang mengelola Finite State Machine.
   • States: IDLE $\rightarrow$ BORDER_PREP $\rightarrow$ CONVOLVE $\rightarrow$ OUTPUT_WAIT $\rightarrow$ COMPLETE.
   • Output: Mengirim sinyal proc_done dan status="10" ke Testbench saat gambar selesai diproses.

5. tb_lanczos3_scaler.vhd (Testbench & File I/O)

   • Fungsi: Jembatan antara simulasi VHDL dan file sistem komputer.
   • Kapabilitas:
     • Membaca 54-byte Header BMP.
     • Memodifikasi Header (Width, Height, File Size) untuk output.
     • Menangani Vertical Flip (BMP disimpan bottom-to-top).
     • Menangani 4-byte Row Padding standar format BMP.

---

Waveform

---

Finite State Machine

lanczos3_scaler

lanczos_resample_engine

border_replicator