（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的高性能色差检测仪的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f b 织印染行业是影响到国计民生的重要行业之一，对布匹的色查检测非常重要， 因为这是衡量染色后的布的质量的一个重要指标。色差检测仪就是用来检测同一匹 布之间相对的色差差别的仪器。该仪器主要是通过采样提取布匹的不同位置的图像 信息，然后对这些信息进行分析处理，得到不同位置图像之间的色差差 括总体方案设计、硬件设计、软件设计、图像处理算法以及算法的改进。 本文首先分析了摄像机的信号的特点以及d s p 在色差检测中的应用 差检测仪的总体方案。方案中整个系统是基于d s p 的，外围辅以c p l d 传送数据采用p c i 总线。 别。耕包 厂 提出了色 向上位机 本文详细论述了数据采集板卡的硬件构成、软件设计以及它们的设计特点。介 绍了高速的视频d 转换芯片、c p l d 、d s p 、p c i 转换芯片以及p c i 总线。在软件 的设计过程中，主要包括d s p 的主程序、中断程序以及计算机中的p c i 驱动程序。 文中还介绍了c p l d 的片内逻辑设计，采用结构化的设计方法。 为了实现图像的色差检测，本文采用了c i e l 9 7 6 色差公式，它是在一系列的基 础上推导出来的，其中包括c i e 色度、色品坐标以及c i e1 9 6 4 均匀颜色空间色差公 式。接着提出了该公式在本文中的应用，将两副图像中所有的相应位置的小块图像 之间的色差对比值求出来。 本文接着提出了系列的色差公式的改进算法。其中包括f c m 色差公式、j p c 7 9 色差公式、c m c ( i ：c ) 色差公式、c i e l a b 色差公式的改良式、c i e 9 4 色差公式、 c m c ( 1 ：c ) 色差公式的简化式。这些新的公式基本沿用了c i e l 9 7 6 色差公式中的 c i e l a b 色空间。这些新公式可以在不同程度上改善原色空间的目视均匀性。本文最 后提出了对色差仪系统进行改进，使其更加优化，适应实际需要的一些方法。 关键词：色差检 ；! 旷：数字信号运遍器( 丑号竹；图像疑廷；色差签灸 可编程逻辑器件；a d 转换；p c i 总线 。 、一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e x t i l ea n dd y i n g i n d u s t r yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d u s t r yw h i c h c a na f f e c t t h ee c o n o m ya n dp e o p l e sl i v i n go ft h ec o u n t r y 1 1 1 ec h r o m i n a n c eo ft h ec l o t hi sv e r y i m p o r t a n tb e c a u s et h i si sam a i ng u i d el i n eo f c l o t h sq u a l i t y n ec h r o m i n a n c ec h e c k i n g d e v i c ei su s e dt oc h e c kt h ec h r o m i n a n c eo ft h ec l o t h t h i sd e v i c ec a l c u l a t e st h e c h r o m i n a n c eo ft h ei m a g ei nt h ed i f f e r e n tp l a c eo ft h es a m ec l o t hb yo b t a i n i n gt h ei m a g e i n f o r m a t i o no ft h ed i f f e r e n t p l a c e a n d a n a l y z e i t i ti n c l u d et h em e t h o d d e s i g n 、 h a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g n 、 i m a g i n ep r o c e s s i n g a r i t h m e t i c 、t h e o p t i m i z i n g o ft h e a r i t h m e t i c f i r s t l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ei m a g ec h a r a c t e ro ft h ev i d i c o na n dt h ea p p l i c a t i o n o fd s pi nt h e i m a g ep r o c e s s i n g t h e n t h ea u t h o ri n t r o d u c et h ew h o l es t r u c t u r e t h e s t r u c t u r ei sb a s e do nd s pa n d g e t s1 0 9 i cw i t hc p l d ，s e n d s t h ed a t at op c b y p c ib u s 1 1 1 ea u t h o rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e sh a r d w a r e & s o f t w a r e d e s i g na n d t h e i rc h a r a c t e r t h e h a r d w a r ei n c l u d e st h eh i g hs p e e da dc h i p 、c p l d 、d s p 、p c ii n t e r f a c ec h i pa n dp c ib u s n es o f t w a r ei n c l u d e st h em a i np r o g r a ma n dt h ei n t e r r u p tp r o g r a mo fd s pa n dt h ed r i v e p r o g r a mi n p c t h et h e s i sa l s o g i v e s t h e l o g i cd e s i g n i nc p l da n di t sm e t h o db y s t r u c t u r e i no r d e rt or e a l i z et h ec h r o m i n a n c ec h e c k i n go fi m a g e ，t h et h e s i sa d o p t sc i e l 9 7 6 c h r o m i n a n c ef o r m u l a i ti sb a s e do nc i ec h r o m a 、c o l o r v a r i e t yc o o r d i n a t ea n dc i e l 9 6 4 e q u a l i t yc o l o rs p a c e t h e ni tg i v e sa p p l i c a t i o no fc i e l 9 7 6c h r o m i n a n c ef o r m u l ai nt h i s a r t i c l e ，c a l c u l a t e st h ec h r o m i n a n c ed i f f e r e n c eo ft h es a m ep l a c eo ft w oi m a g e s i nt h en e x tp a r to ft h et h e s i s ，i t g i v e sas e r i e so fi m p r o v e da r i t h m e t i cf o rt h e c h r o m i n a n c ef o r m u l a i ti n c l u d e sf c mc h r o m i n a n c ef o r m u l a 、j p c 7 9c h r o m i n a n c e f o r m u l a 、c m c ( i ：c ) c h r o m i n a n c ef o r m u l a 、c i e l a bc h r o m i n a n c ei m p r o v e df o r m u l a 、 c i e 9 4c h r o m i n a n c ef o r m u l a 、c m c ( i ：dc o n c i s ec h r o m i n a n c ef o r m u l a t h e s ef o r m u l a s a d o p tc i e l a bc o l o rs p a c ei nc i e l 9 7 6c h r o m i n a n c ef o r m u l a t h e s en e wf o r m u l a sc a n i m p r o v et h ev i s i o ne q u i l i b r i u mm o r eo rl e s s i nt h ee n d ，t h e s i sg i v e st h ei m p r o v eo ft h e i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = ；= = # = ；= = = = = = = ；= = ；= ；= = = ；_ w h o l es y s t e m ，i no r d e rt oo p t i m i z e i ta n d a d a p tt h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c h r o m i n a n c ec h e c k i n gd e v i c e ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r i m a g e p r o c e s s c h r o m i n a n c ef o r m u l a ；p r o g r a m m a b l el o e i cd e v i c e ：a d c o n v e r t p c ib u s i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 纺织印染简介 1绪论 纺织印染行业是我国国民经济的重要行业之一，对我国的现代化进程起着至关 重要的作用。随着我国加入世界经济贸易合作组织( w t o ) ，各行业所面临的竞争扩 大到全球范围。专家人士在分析入世对中国纺织行业各子行业的影响时，普遍认为： 入世对化纤、印染、纺织机械行业来说，挑战大于机遇。面对如此严峻的形式，印 染、纺织机械行业只有使用通过高新技术，不断地进行技术革新，才能在竞争激烈 的国际市场中赢得一席之地。目前计算机技术已被广泛的引入到纺织印染行业的各 个生产控制领域，设备的自动化水平和智能化程度都有提高。 纺织工业中的织物印染技术是一项专业性极强的应用性工程技术。在市场的推 动下，纺织印染要求越来越高。因此，印染设备需要高精度、高效率的特点，以此 来适应织物印染低成本、工艺可重复即适应小批量的需求。目前，国内外印染机械 生产厂家都致力于将计算机控制技术引入印染行业的生产过程。 在纺织工业中，将纺织厂织好的布称为坯布。坯布必须经过几道工序才能成为 印染的原料用布。这些工序包括烧毛、上浆、煮练、漂白、开幅、轧水、烘燥。经 过这些工序的主要目的是使坯布更适合印染的需要，消除一些可能产生印染瑕疵的 物质。 经过上述这些前处理之后的布匹，就可以作为染色或印花的原料布了。纺织品 的染色一股是指使纺织品获得一定牢度的颜色的加工过程。染料对纤维的染色是利 用染料与纤维发生物理化学或化学的结合，或者用化学方法在纤维上生成颜料，从 而赋予纺织品一定的颜色。纺织品印花是指将各种染料或颜料调制成印花色浆，局 部施加在纺织品上，使之获得各色花纹图案的加工过程。 11 2 色差检测仪在纺织印染行业中的应用 经过染色处理后的布匹的色泽应鲜艳，均匀。在染料的上染工艺过程中，尽量 1 华中科技大学硕士学位论文 使染料能够均匀地附着在织物上。 染料的上染是指在染色过程中染液向纤维转移，并使纤维染透的过程。染料在 纤维上的吸附受多种因素的影响，如染色温度、染液p h 值、电解质和助剂等。染料 在纤维上的吸附是否均匀，对最终染色是否均匀有很大影响。为了保证染料的吸附 均匀要求被染物的染前处理过程应均匀：染色时，要求染液中各处的染化料浓度、 温度等均匀。染料对纤维的吸附速率过快，易造成染色不均。当染色分子被吸附在 纤维表面后，染料在纤维表面的浓度高于在纤维内部的浓度，使燃料向纤维内部扩 散。染料的扩散速率高，染透纤维所需的时间短，有利于减少因纤维微结构的不均 匀或因染色条件不当造成吸附不匀的影响，从而获得染色均匀的产品。因此，染色 时提高染料的扩散速率具有重要的意义。 在印染工业中，由于颜色的分布总不可能达到绝对的均匀，所以对色差检测非 常关注，这是衡量染色后布的质量的一个重要指标。任何一种有颜色的产品，要求 其绝对符合某一标定颜色是不可能的，总有一定的色差( 如同机械生产中的公差) ， 只能要求色差不大于某一范围。 色差检测仪就是用来检测同一匹布或同颜色不同批次布之间相对的色差差别的 仪器。该仪器主要是通过采样提取布匹的不同位置的图像信息，然后对这些信息进 行分析处理，得到不同位置图像之间的色差。 下面是两台摄像机采集不同位置的布匹的图像信号的示意图： 摄像机摄像机 布匹 j i i i 采集i 錾l 像尔意嗣 2 弩瓜 华中科技大学硕士学位论文 1 3d s p 在色差检测仪中的应用 1 3 1d s p 概述 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的简称，是一种高速专用的微 处理器，它是在数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的各种理论算法的基础上 发展起来的。其主要特点是：运算功能强大，高速输入输出以及高速率传输数据， 专门处理以运算为主的不允许延时的实时信号；有特殊的寻址方式，可高效地进行 快速傅立叶交换运算；方便地使用c 语言与汇编语言编程，有灵活可变的i o 接口 和片内i 0 管理、高速并行数据处理算法的优化指令集，故修改、升级、置换都很灵 活；精度高，可靠性好，数字器件加软件工作方式，能降低热漂移、老化效应及对 噪声的敏感度；成本低，芯片可编程，硬件简化，数量少，有完整的开发与调试工 具，开发周期短。自美国德州仪器公司( t i ) 在8 0 年代初推出第一代商用d s p 芯片 后，d s p 产品不断更新换代，渗透到电子与自动化的各方面，从专用器件转变为电 子数字化时代的主流器件，其发展速度之快，应用实效之大，目前没有一种器件能 与其相提并论。 与通用的微处理器相比较，最新的d s p 具有以下特点： 1 ) 用哈佛结构而不是传统的冯诺曼结构。传统的冯诺曼结构的数据总线和 指令结构是公用的，因而在传输通道上会出现瓶颈现象。而采用哈佛结构的d s p 芯 片内至少有4 套总线：程序存储空间的地址总线与数据总线，数据存储空间的地址 总线与数据总线。由于这种结构的程序总线和数据总线分离，因而可以在一个机器 周期内同时获取程序存储器内的指令字和数据存储器内的操作数，从而提高了速度。 2 】算术单元采用硬件乘法器与多功能单元。由于d s p 的功能特点，乘法操作是 d s p 的一个主要任务。在通用微处理器内部通过微程序非常费时，因此d s p 内部设 有硬件乘法器来完成操作，以提高速度。硬件乘法器是d s p 区别于通用微处理器的 一个重要标志。为进一步提高速度，在c p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u ， 乘法器，地址产生器等) 。由于多功能单元的并行操作，使d s p 在相同时间内能够完 成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。另外，由于d s p 的算法特点和数据流 3 华中科技大学硕士学位论文 的特点，使得现代d s p 可以采用指令比较整齐划一的精简指令集( r s i c ) ，这有利 于d s p 结构上的简化与成本的降低。 3 ) 采用大容量的片内存储器。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争和 访问速度不匹配的问题，因此访问速度快，可以缓解d s p 的数据瓶颈，充分利用d s p 强大的处理能力。 4 ，j d s p 采用流水线处理指令。流水技术使两个或更多不同的操作可以重叠执行。 在处理器内，每条指令的执行分为取指、解码、执行等若干阶段，每个阶段称为一 级流水。流水处理使若干条指令的不同执行阶段并行执行，因而能够提高执行速度。 5 j 设置多种接口和外设。为了增强d s p 的通用性，d s p 芯片增加了很多外设。 例如，d m a 、e d m a 、e m l f 、h p i 、外部中断、串行口、可编程锁相环和j t a g 接 口。 6 ) 设置了特殊寻址模式。为了满足n 可积分数字信号处理的特殊要求，d s p 芯片大多包含有专门的硬件地址发生器，用以实现循环寻址和位翻转寻址，并在软 件上设置了相应的指令。 7 ) 设置了j t a g 接口。d s p 芯片的结构复杂，工作速度高，外部引脚也较多， 封装面积也非常小，引脚排列异常密集，对于此情况，传统的并行仿真已不适合于 d s p 芯片。于是有关国际组织公布了j t a g 接口标准。在d s p 芯片内部安排j t a g 接口，为d s p 芯片的测试与仿真提供了很大方便。 8 ) 程序的加载引导。d s p 芯片要执行的程序一般在e p r o m f l a s h 存储器中。 但是，该存储器的访问速度较慢，虽然有一些高速的e p r o m f l a s h 存储器，但价 格昂贵、容量有限，而高速大容量静态r a m 的价格又在不断下降。故采用程序的加 载引导是一个较好的方法。d s i 芯片在上电复位后，执行段引导程序，用于从端 口( 异步串行口、i o 口、主机接口) 或外部e p r o m f 乙峪h 存储器中加载程序至 d s p 芯片的高速r a m 中运行。 d s p 具有很强的实时性，其运行速度远远大于通用微处理器，很适合处理大数 据量的计算，其实时性也远远超过了通用微处理器。其高速和强大的处理能力的特 点，是最值得称道的两大特色。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2d s p 在图像处理中的应用 所谓图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或者应用需求的 行为。图像处理手段有光学手段和电子学( 数学) 方法。前者已经有很长的发展历 史，从简单的光学滤波到现在的激光全息技术，光学处理理论已经日趋完善，而且 处理速度快，信息容量大，分辨率高，又很经济。但是光学处理图像速度不高，稳 定性差，操作不便。从2 0 世纪6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高 和普及，数字图像处理进入高速发展时期。所谓数字图像处理就是利用数字计算机 或者其他数字硬件，对从图像信息转换而得的电信号进行某些数学运算，以提高图 像的实用性。例如从卫星图片中提取目标物的特征参数，三维立体断层图像的重建 等等。数字图形处理技术处理精度比较高，而且还可以通过改进处理软件来优化处 理效果。但是，由于数字图像处理的数据量非常庞大，因此处理速度相对较慢，这 就限制了数字图像处理的发展。随着d s p 技术的迅速发展，d s p 的运算速度大大提 高，目前高速的d s p 芯片已经开始推广使用，这大大的促进了数字图像处理技术的 发展。 d s p 芯片系统可能由一个d s p 及外围总线组成，也可能由多个d s p 组成，这完 全取决于d s p 处理的要求。d s p 芯片系统的主要任务是将前向通道输入的信号按照 一定的算法进行处理，然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。大多数 系统有通信接口( 串行通信、并行通信) 、人机接口等部分。系统还可能通过c o m p a c t p c i ，p c i ，i s a ，v x i 等总线插在计算机上工作，或通过3 x b u s 总线等组成紧凑型的 控制系统，甚至还可以通过现场总线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。 整个系统的协调运行主要依靠正确的逻辑控制电路设计。 1 4 课题的目的及意义 随着社会的发展、人民生活水平的提高，对衣着、装饰用布提出了更高的质量 要求。同时随着我国加入w t o ，我国印染行业为适应国内国际市场需求的变化，加 快了设备更新的力度，提出了更加严格的产品质量目标。 现在的印染行业对工艺要求越来越高。在我国以前染过的布没有个很好的检 华中科技大学硕士学位论文 测手段，不能准确地评估染过的布的质量。如此同时，国外的印染设备生产厂家为 了占领国内市场，压低了印染设备的价格，进口印染设备的数量明显增加。为了满 足国内与国际市场需求，抢占印染设备市场，开发出“高性能的色差检测仪”，有利 于对印染质量的监测，在促进我国纺织工业的科技进步、满足我国印染工业的发展 需求、替代进口、扩大出口等方面都具有重大的意义。 1 5 本文研究的主要内容 本文的研究内容主要分为以下几方面： 1 ) 根据现场实际需要以及色差检测仪的工作原理，为了准确地反映实际系统中 布匹的色差，设计出个基于d s p 和p c i 的总体的系统框架，规划了整个系统的流 程。 2 ，针对实际需要选取各种相关的器件和设备，使其能够满足系统的需求，同时 又要有最大的性价比。 3 j 设计出基于d s p 和p c i 的电路板，负责采集图像的信号，进行图像分析， 最后将这些结果通过p c i 总线传输给计算机。整个系统运行速度很快，任务也很复 杂，所以要能够准确地计算出每个任务需要的时间，然后进行统筹安排。 4 ) 提出一个图像的算法，对两副图像进行对比分析，得出两幅图像之间的的色 差差值。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 数字视频标准 2 色差检测仪系统概述 2 11 视频信号抽样 本系统所采用的摄像机是模拟式的，其输出的信号是模拟信号。对图像进行分 析，必须把模拟信号转换为数字信号，这就需要用一个周期为t 的窄脉冲流对模拟 信号进行抽样，把时间上连续变化的模拟信号变成时间上离散的信号。假设时间上 连续的模拟信号为f ，抽样脉冲序列6 币) ，其定义为： 6 t ) = y 6 ( f n t )( 2 一i7 j _ ， 抽样频率即是抽样脉冲的频率：f s = l 厂r 。 抽样后的信号为： f s = f ( t ) + 6t ( t ) = 厂( f ) 6 ( f 一，l r ) = m r ) 6 ( t n r ) ( 2 2 ) 显然，抽样后的信号相当于f ( t ) 对抽样脉冲序列幅度的调制。 f s ( t ) 的频谱f s ( q ) 为：f ( t ) n n 谱f ( q ) 与6t ( t ) 的频谱h q ) 的卷积，可写成 f s ( q ) = 击 f ( q ) + t ( q ) = 古f 扣) z x r ( f 2 - r = 击正，o ) 芝q s 6 ( q - - - - t q ) d f = 等妻f 。) 6 ( f 2 - z - 概) d 彳 ：手2 f ( f 2 一h a s ) o 式 1 ，q = 乙矿；o s 一2 , - 硪s 。 实际抽样频率f s 的选择要考虑以下三个条件r ( 1 ) 满足奈奎斯特准则； 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 对于复合视频信号，抽样频率f s 应为色度负载频率的接数倍，使其之间产生 的干扰不明显： f 3 ) 抽样样点应形成正交结构，便于信号处理。 2 1 2 视频信号的量化 把抽样的样值变为在幅度上离散的有限个二进制信号，这就是量化。抽样使时 间上连续变化的信号变为离散变化的信号，量化又使幅度上的连续变化变为离散的 变化。现在大多数采用四舍五入的方法来处理被量化的样值与预定的量化电平之间 的差值。 2 1 3 数字分量信号标准 任何一种颜色，包括可见光谱的全部颜色，都能用红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三原色 光相加混合获得。模拟分薰系统传送的是y 、b y 、r y 信号，他们是r 、g 、b 信 号的变换形式，但信号幅度受到一定的限制。模拟分量系统的特点是，在系统输出 端的信号损伤程度是系统中各级损伤的积累。信号损伤主要表现在三个方面：线性 失真、非线性失真和噪声。通过良好的工程实践可以使信号损伤减少，但不能消除。 模拟分量虽然可以避免某些模拟复合信号特有的损伤，但设备造价高、复杂，可靠 性降低。在数字视频领域，以数字形式进行信号处理、纪录、分配时，可以消除上 述三种损伤，只是a f d 变换和d a 变换后还会产生上述损伤。 北美和欧洲标准化研究结果，产生c c i r 6 0 1 建议，现在改称为r r u rb t 6 0 1 。 它规定了数字分量演播室设备用的编码参数。这个建议在分量数字研究方面达成了 一个协议，对5 2 5 行场和6 2 5 行场扫描标准兼容，并作为所有后续的数字分量技术 发展的基础。推荐的数字编码是基于一个亮度信号和两个色差信号，或者采用r 、g 、 b 信号，避免了亮度和色度信号的互串，可以获得高质量图像。 数字分量信号是对模拟分量信号进行a d 变换得到的，所用r 、g 、b 都是经过 校正的信号。 p a l 和n t s c 的编码参数： y = o 5 8 7 g + 0 】4 b + o 2 9 9 r 华中科技大学硕士学位论文 r - y = 0 8 7 7 ( r y ) b y = 0 4 9 3 ( b y )( 卜牛) 各信号的抽样频率都基于一个最低基准频率3 3 7 5 m ，抽样比率有以下几种： f 1 ) 4 ：1 ：1 抽样 亮度信号抽样频率为3 3 7 5x4 = 1 3 5 m h z 每个色差信号的抽样频率为3 3 7 5x1 = 3 3 7 5 m h z 。这种抽样比率用于较低档设 备，比如d v 格式录像机，适合于色差信号带宽不超过1 5m h z 的情况。 ( 2 ) 4 ：2 ：2 抽样 亮度信号的抽样频率为1 3 5 m h z 。 每个色差信号抽样频率为3 3 7 5x2 = 6 7 5 m h z 。 ( 3 ) 4 ：4 ：4 抽样 亮度信号和两个色差信号的抽样频率都是1 3 5m h z 。可用于对带宽相同的r 、 g 、b 信号抽样。一些高档的演播室质量数字处理设备采用这种抽样比率。 本文所采用的是4 ：2 ：2 的抽样频率，r 、g 、b 的信号最终要转换为用y 、c b 、c r 的亮度和色差表示形式。y 、c b 、c r 和r 、g 、b 的转换公式为： y = o 2 9 9 r + o 5 8 7 g + 0 1 1 4 b c b = 0 5 6 4 ( b - y 、 c r = 0 - 7 1 3 ( r - y ) ( 2 字) 每行有效样点数分别为y ：7 2 0 ，c b ：3 6 0 ，c r ：3 6 0 ，其实也就是每行的数据量为7 2 0 x1 8 。抽样结构为正交抽样，行、场、帧内，每行的c b 、c r 样点位置与y 的奇数样 点位置一致。y 信号的抽样频率为1 3 5 m h z ，c b 、c r 信号的抽样频率为6 7 5 m h z 。 编码方式都是均匀量化p c m 码，量化分辨率为对亮度和两个色差信号的样值都以8 比特量化。 对于n t s c 和p a l 制式都是采用隔行扫描的方式。一整幅图像定义为一帧，从 第一行开始所有的奇数行组成一场，称为奇场：从第二行开始的所有的偶数行组成 一场，称为偶场。 在进行数字转换时，p a l 与n t s c 标准有些区别。当处理器仅能以2 5 帧秒的 速度处理p a l 图像时，它在处理n t s c 版本的图像可以达3 0 帧秒。尽管它们都是 华中科技大学硕士学位论文 同一部电影，其转换速度也均超过了实时转换的标准。p a l 的更新率为2 5f p s ( 每秒 的图像帧数) ，而n t s c 则为3 0 f p s 。尽管他们的帧频不同，但是由于它们每一帧所包 含的行数也不同，最后得出来这两种不同标准的输出图像的数据率时一样的： p a l 像素率：7 2 0 x5 7 6 像素x2 5f p s = 1 0 4m p i x , 秒( 每秒的像素数) n t s c 像素率：7 2 0 x4 8 0 像素x3 0f p s = 1 0 4m p i x 秒f 2 一) 对于p a l 和n t s c 标准都有数字消隐，也就是说每场的所有数据行并不是都有 效的。消隐后有效的数据行分别为p a l 每帧共5 7 6 个有效行，n t s c 每帧有4 8 0 个 有效行。最后通过计算得出它们的数据率都是1 0 4m p i x t g k 。 2 2 色差检测仪系统总体方案和设计思想 为了成功地应用数字图像处理，需要具有多学科的背景知识。由于目前的电子 技术向高速高性能发展，数字图像也不断向高清晰度、大存储量及快速的数据流量 发展，就要求目前的图像处理也要能够满足这些发展的要求。 图像处理系统的设计可以从以下几方面来考虑： ( 1 ) 系统必须有很高的处理速度，以适应高速的图像数据和快速的运算。p a l 和 n t s c 输出信号的速度已经达到1 0 4m p i x , 秒，这要求系统中的a d 转换和芯片存储 图像的存储器的读写速度必须很快，使其能够实时地将接受到的模拟的图像信号转 换为数字信号并存储器起来。同时也要求处理器能够快速的处理这些数据，转换为 自己需要的结果，并能够快速地将运算结果通过高速的传输通道输出。 ( 2 ) 系统必须有足够的存储容量，能够存储大容量的图像数据以及运算结果。系 统的数字图像是连续的模拟信号，转换为数字信号后成为连续的数据帧。对这些连 续的数字信号的读取不能采用处理器直接读取的方式，因为这样会一直占用处理器 的外部地址和数据总线，所以必须将数字图像信号进行缓存，待到存储器中达到一 定数据量时一次性地读出，并同时处理。 ( 3 ) 系统中的图像处理算法必须能够快速准确地对数字图像进行处理。图像的数 据量本身很大，如果处理算法很复杂，那么处理器的工作量就很大，处理器就很难 在每个处理周期完成读取数据、算法处理和数据发送的任务，所以算法必须简捷。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = = = = = = = = ；= = 。= = ；= = = # = = ；= = = = = = = = = = ；= ； 图像的算法的结果必须能够很好的反映系统中的实际情况。所得到的色差差值必须 能够很好的和目测得到色差差值相一致，这样的算法才是准确的，符合实际需要的。 2 8 系统的总体方案 由以上的分析可得知整个系统需要考虑的关键因素。图2 - 1 给出了系统总体上的 数据流向图。 系统的工作原理及数据流向如下： 1 ) 系统输入的图像信号为模拟信号，首先经过高速a d 变换将其转化为数字图 像信号。 瞰像模拟量 i a d i 归像教。，磺 i 儿l ；( ) i s r a 酣 i i i l d s p l 运苒结粜 p c - l i p c i 圈2 - 1 系统数据漉向图 2 ) 转换得到的数字信号f i f o ，待到f i f o 中的数据达到一定的存储量之后，将 其中的数据快速转移到s ra m 中。 3 ) 待到s r a m 中的数据达到一定数据量时，d s p 一次性地将其中的数据读入， 同时对得到的数据进行算法处理。 4 ) d s p 将算法处理的结果通过快速的p c i 总线传给上位机。上位机将得到的数 l l 华中科技大学硕士学位论文 据结果显示出来。 2 4 小结 本章通过分析数字视频信号的特点以及一些数字视频的标准，根据目前电路设 计的一些趋势，提出了色差检测仪系统总体方案和设计思想，从理论上分析了系统 的总体流程。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 1引言 3 基于d s p 的硬件电路设计 d s p 技术发展非常迅猛，功能越来越强大，而且很多种d s p 的价格也很便宜， 性价比很高，所以在图像处理领域得到了非常广泛的应用。二十世纪九十年代末， 1 1 公司针对大规模数据处理的要求，推出了t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 。这一系列的 d s p 最初主要是为了移动通信基站的信号处理而推出的超级处理芯片，2 0 0 m h z 时 钟的c 6 2 0 1 完成1 0 2 4 点定点f f t ( 快速傅里叶变换) 的时间只要6 6 u s ，比传统的d s p 要快一个数量级，因此在民用和军事领域都有广阔的应用前景，在网络通信、电子 对抗、雷达系统、图像处理、语音处理等方面应用很广泛。在很多需要高度智能化 和大数据量处理的领域，这种芯片具有不可替代的优势。 这种芯片的定点系列c 6 2 x x 的字长为1 6 位，由于乘法器字长较短( 1 6 x 1 6 ) ，所 以精度不高。这一问题的解决可以采用t m s 3 2 0 c 6 7 x x ，这是c 6 0 0 0 中的浮点系列，运 行速度可以达到1 g f l o p s 。 3 2 片内主要芯片和总线介绍 3 2 1t m $ 3 2 0 c 6 7 1 1 介绍 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 就是属于t m s 3 2 0 c 6 7 x x 系列的一款d s p 。它将高性能的d s p 的内 核和微处理器的片内外设以及许多独特的功能集于一块芯片，它的性能远高于传统 的微处理器和微控制器。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 具有以下特点： 工作频率可达到1 0 0 m 或1 5 0 m ，其最快运行速度分别为6 0 0 m f l o p s 、 9 0 0 m f l o p s 功能单元 2 个定点运算a l u 单元 4 个能做定点和浮点运算的a l u 单元 华中科技大学硕士学位论文 2 个1 6 位3 2 位结束乘法器 超长指令字( v l i w ) 结构 装载存储结构 指令包以减小代码长度 10 0 条件指令以提高执行速度 存储器结构 3 2 k bl l p 程序r a m 3 2 k bl i d 数据r a m 5 1 2 k bl 2 程序和数据r 心 3 2 位的外部存储器接口( e m i f ) 可以和外部r o m 、f l 蝎h 、s d r a m 、s r a m 无逢连接 5 1 2 m 的外部寻址空间 专用的扩展的直接存储器访i h - j ( e d m a ) 1 6 位的主机接口( h p i ) 可以方便地与计算机连接 采用0 1 8 u s 的c m o s 工艺，集成度更高 3 3 v 的i o 电压，1 8 v 的内核电压，功耗低 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 的功能块和内核如图3 - 1 所示。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 的寻址空间达到4 g b ，其片内存储器的最主要特点是作为缓冲器 来应用。c 6 7 1 1 片内存储器分为两级，第一级由4 k b 的程序c a c h e ( l i p ) 和4 k b 的数 据c a c h e ( l i d ) 组成，只作为缓冲器，不能设置为映射存储器；第二级存储器( l 2 ) 的容 量为6 4 k 字节( 用于存储程序和数据) ，位于地址0 处。 c 6 7 1 1 具有片内的e d m a 控制器。e d m a 控制器可以在没有c p u 参与的情况 下完成映射存储空间中的数据搬移。这些数据的搬移可以是片内存储器、片内外设 或是外部器件之间，而且是在c p u 后台进行的。e d m a 提供了1 6 个通道，通道的 优先级可以设置，可以实现数据传输的链接。q d m a 是c 6 7 1 1 的另一个新功能， q d m a 与e d m a 的功能非常相似，但是它提供一种更快速的数据转移手段，尤其适 合于需要快速数据传输的应用场合。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 德管l ( e 虹f ) l 一撂租率俘柏嚣 胁) 定时器。i h i z h 内：铺 取指 摔制寄 定时器li b - 4 b - - 存储嚣 指令分配 存器 l ( 儿6 4 x 吣 控铡逻 乏璺墟绠l 扩展的血 指令雌硝 辑 接存储控 苎f 径a蹄径b 榆测 淼1 1 ) p 糖器 ( e d 姒) 寄存= | a寄存器b仿真 ozo 甲哪i y 黹l - is ，i h ll0 1 0 2 l m 2 i 5 2 1 2 制 ( b s p 0 ) l 、l l t 9 1 n l 1 f 。级数据存储( 4 k r ) i ( j l p i 7 p l l i u 溯 巾断选挥1 1 - - - - 9 , ( x i , x 4 i 匣 逻辑 i 图3 一lt m $ 3 2 0 c 6 7 1 1 功能块和】内核图解 e m i f 是外部存储器和c 6 7 1 1 片内其他单元的接口，其数据总线宽度为3 2 位， c p u 访问片外存储器时必须通过e m i f 。e m i f 具有很强的接口能力，数据吞吐能力 最大可达到9 0 0 m f l o p s ，能与s r a m ，s d r a m ，s b s r a m ，r o m ，f l a s h 方便 地连接。 主机口h p i 是一个1 6 位宽度的并行端口。主机( 也叫做上位机) 掌管该接口的控 制权，通过它可以直接访问c p u 的存储空间。h p i 与片内的地址单元直接相连，完 全由硬件来处理读写请求。通过h p i 口，c 6 7 1 1 可以很方便地与不同类型的微处理 器接口。 另外，c 6 7 1 1 还提供了两路多通道缓冲串口( m c b s p ) ，可以使片内的数据搬移和 华中科技大学硕士学位论文 外部数据的通信同时进行。片内还集成了2 个3 2 位的通用定时器，可以实现时间计 数、事件定时、产生脉冲信号以及c p u 中断和d m a 同步事件。c 6 7 1 1 中定义的中 断事件( 中断源) 最多可有3 2 种。 3 2 2e p m 7 12 8 a e 介绍 e p m 7 1 2 8 a e 是a l t e r a 公司m a x 7 0 0 0 a 中的一种，它是基于e e p r o m 的一种高 性能可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，可以通过j t a g 口进行在线 编程( i s p i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，它的可用逻辑门为2 5 0 0 个，引脚与引脚的延时 可以达到4 5 n s 。同时由于它有o p e n d r a i n 设计以及较大的电流输入、输出都为 系统设计提供了保证。它的系统采用3 3 v 电压供电，i o 输出电压为3 3 v ，输入不 仅可以为3 3 v ，同时兼容2 5 v 和5 0 v 的输入，可以省去设计中电路转换的麻烦， 也为系统的扩展性提供了保障。 3 2 3可编程视频输入处理芯片s a a 7 111 介绍 s a a 7 1 1 1 是p h i l i p s 提供的可编程视频输入处理芯片。它采用c m o s 工艺，通过 简单的i2 c 总线与控制i o 接口。内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选 择、抗混叠( 去假频) 滤波、模数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式 ( p a l 和n r s c ) 解码及亮度、对比度和饱和度控制。可为视频桌面系统、图像多媒体、 数字电视、图像处理、视频电话等的应用提供极大方便。 可编程视频输入处理器s a a7 1 1 1 有以下主要特点： 1 ) 编程选择四路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式，在其内部有两 路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制，有两路8 值的模 数转换： 2 ) 可对芯片编程进行白电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波； 3 ) 实现行场同步信号的自动检测和分离，行同步信号的起始位置与结束位置均 可根据需要进行编程控制。片内产生的时钟通过数字p l u p h a s el o c kl o o p ) ，锁定行 同步； 4 ) 场频5 0 h z 或6 0 h z 自动检测，并自动在p a l 和n t s c 之间切换，能对不同 华中科技大学硕士学位论文 输入制式的亮度信号和色度信号进行处理，并实现亮度、色度和饱和度的控制；5 ) 可 方便使用不同的数字图像数据输出格式。 s a a7 1 1 1 的功能方框图如图3 2 所示。 a i l i m 2 l s d a s c 乙 i l sv sv r e fr t s or t s il l cl l c 2c r e f 嘲3 - 2s a a 7 1 1 1 助麓方框阁 从s a a 7 1 1 1 的四个模拟输入端a i l l 、a 1 1 2 、a 1 2 1 、a j 2 2 输入的视频图像信号 经模拟处理后，一路通过缓冲器从模拟输出端( a o u t ) 输出用于监视，另一路经a d 后产生数字色度信号和亮度信号，分别进行亮度信号处理和色度信号处理。亮度信 号处理的结果一路送到色度信号处理器，进行综合处理，产生y 和u 、v 信号，经 格式化后从v p o ( 1 6 位) 输出；另一路进入同步分离器，经数字p l l 产生相应的行和 场同步信号h s 和v s ，同时p l l 驱动时钟发生器，产生与h s 锁定的时钟信号l l c 和l l