（模式识别与智能系统专业论文）基于dsp的嵌入式图像处理平台的构建与应用.pdf

立进 包含 究作 的法 校保 文被 内容 保存 论文 目录 摘要。 a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 本课题研究背景+ 1 1 2 图象处理技术l 1 3d s p 技术的发展2 1 3 1d s p 的主要结构特点3 1 3 2d s p 技术在工业上的应用4 1 4 论文的主要研究工作和章节安排5 第二章图像处理系统概述 2 1 图像处理系统。6 2 1 1 图像输入模块“6 2 1 2 数据存储模块。7 2 1 3 数据输出模块j 。7 2 1 4 图像处理模块7 2 2 基于d s p 的图像处理系统一8 2 3 本章小结9 第三章实时系统的硬件设计 3 1 硬件框图”1 0 3 2d s p 芯片l o 3 2 1d m 6 4 2 的内部运算单元一1 1 3 2 2d m 6 4 2 的c a c h e 结构一1 4 3 3 地址映射”1 4 3 4 外部存储器接口”15 3 5 直接存储器访问1 5 3 6e d m a 控制机制和特点l7 3 7 多通道缓冲串口1 8 3 8 中断控制l9 3 9 芯片模式设置”2 1 3 1 0f p g a 芯片选取2 l 3 1 l 系统电源电路2 2 3 1 2d m 6 4 2 的视频端口2 2 3 1 3 视频数据采集电路设计2 3 4 1 3 嵌入式编程语言31 4 1 4 混合编程关键技术3 2 4 1 5j t a g 程序调试仿真器3 5 4 2 程序软件优化设计3 6 4 2 1 快速算法3 6 4 2 2 数组指针化3 7 4 2 3 减少判断转换3 8 4 2 4 计算表格化3 8 4 2 5 目标环境中的优化3 8 4 2 6 减少函数调用3 9 4 2 7 使用寄存器3 9 4 3 本章小结3 9 第五章系统在酒瓶在线检测中的应用4 l 5 1 酒瓶检测系统的背景一4 1 5 2 酒瓶检测系统软件流程”4 1 5 3 瓶口定位4 2 5 4 瓶口缺陷检测”4 3 5 4 1 基于b r e s e n h a m 画圆原理 3 l 】的圆环外圆检测4 4 5 4 2 圆环内密封面环形扫描法检测4 6 5 5 系统测试及实验结果4 7 第六章结论和展望5 0 参考文献 致谢5 4 u a b s t r a c t ( c h i n e s e ) a b s t r a c t ( e n g l i s h l i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ”1 1 3t h ed e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o l o g y 。2 1 3 1m a i ns t r n c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed s pc h i p 3 1 3 2t h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f d s pt e c h n o l o g y 4 1 4m a i nw 6 r ka n dt h e s i ss t r u c t u r e 5 c h a p t e r2i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mo v e r v i e w 6 2 1i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m “6 2 1 1i m a g ei n p u tm o d u l e 6 2 1 2d a t as t o r a g em o d u l e 7 2 1 3d a t ao u t p u tm o d u l e ”7 2 1 4i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e 7 2 2i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s p 。8 2 3s u m m a r y 9 c h a p t e r3t h eh a r d w a r ed e s l g n o fr e a l - t i m es y s t e m 。1 0 3 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a m ”1 0 3 2d s p c h i po v e r v i e w + 1 0 3 2 1d m 6 4 2 si n t e r n a lc o m p u t i n gu n i t 。11 3 2 2d m 6 4 2 sc a c h es t r u c t u r e 1 4 3 3a d d r e s sm a p p i n g 1 4 3 4e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e 15 3 5d i r e c tm e m o r ya c c e s s 15 3 6c o n t r o lm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so f e d m a 1 7 3 7m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t 1 8 3 8i n t e r r u p tc o n t r o l 1 9 3 9c h i pm o d es e t t i n g s 2 1 3 1 0f p g a c h i ps e l e c t i o n “2 l 3 11s y s t e mp o w e rs u p p l yc i r c u i t 2 2 3 1 2d m 6 4 2 sv i d e op o r t 2 2 3 13v i d e od a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t 2 3 3 1 4h i g h - s p e e dp c bd e s i g n 2 4 t c h a p t e r4t h es o f t w a r eo ft h er e a l - t i m es y s t e m 4 1d s p d e v e l o p m e n tt o o lc h a i n 2 8 4 1 1c o d ec o m p o s e rs t u d i o ”2 8 4 1 2d s p b i o s 2 9 4 1 3e m b e d d e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e 31 4 1 4t h ek e yo fm i x e d p r o g r a m m i n g 3 2 4 1 5j t a ge m u l a t o rd e b u g g i n g 3 5 4 2c o d eo p t i m a l 3 6 4 2 1f a s ta l g o r i t h m s ”3 6 4 2 2a r r a yt op o i n t e r s 3 7 4 2 3r e d u c ej u d g e m e n tc o d e 。3 8 4 2 4c m c u l a t i o nt of o r m s 3 8 4 2 5o p t i m i z a t i o ni nt h et a r g e te n v i r o n m e n t 3 8 4 2 6r e d u c ec a l l i n gf u n c t i o n s 3 9 4 2 7u i n gr e g i s t e r s “3 9 4 3s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5b o t t l ed e t e c t i o no nl i n e 4 l 5 1b a c k g r o u n d 4 l 5 2s y s t e ms o f t w a r ep r o c e s s 4 1 5 3b o t t l ef i n i s hl o c a t i o n “4 2 5 4b o t t l ef i n i s hd e t e c t i o n 4 3 5 4 1e x t e r i o rc i r c l ed e t e c tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb r e s e n h a m 4 4 5 4 2t h es e a l e ds u r f a c eo f t h er i n gs c a nd e t e c t i o n 4 6 5 5e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 一4 7 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k 。5 0 r e f e r e n c e s 5 l a c ：k n o w l e d g e m e n t s ! ；z i i i 摘要 近年来，随着图像处理技术的发展，越来越多的图像信息被应用到工业自动 化等诸多领域。同时集成电路也有了高速发展，使得单板系统的处理能力有了很 大的提高。尤其是以d s p 为代表的浮点处理器的性能有了相当的提升。嵌入式的 图像处理系统有了实现的可能。本文提出以基于t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的 嵌入式图像处理平台的构建，及其在酒瓶检测方面的应用测试。 本论文首先介绍了传统的图像处理系统的特点，并通过分析d s p 芯片及其系 统的特点，提出了基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 x 系列t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片的嵌入式图 像处理平台的思路，以克服传统基于p c 机模式的图像处理系统的缺点，提高系 统的实时性能，最大可能的降低成本，并加强系统的知识产权保护。 该系统将图像触发、采集、处理以及图像传输集成到单p c b 板上，采用视频 接e l 芯片s a a 7 11 1 a 和可编程逻辑阵列f p g a 实现系统前端的图像采集以及图像的 输出控制，使用d s p 进行各类通用的算法设计，系统中大容量的f l a s h 和s d r a m 使该系统能够适用于多种应用场合。主要的工作及创新有以下几部分。 一 ( 1 ) 嵌入式系统各功能模块的电路设计。整个系统中包括视频采集部分，主 控芯片d m 6 4 2 及外围电路部分，存储单元部分( 包括f l a s h ，s d r a m ，双口r a m 等) ， 以及f p g a 部分。视频接口采用的p h i l i p s 的视频芯片s a a 7 11 1 a 。将复合视频、 y c 分量等模拟视频信号进行a d 转换以获取图像的数字信号，同时提取其中的同 步和时钟信号。 ( 2 ) 嵌入式系统的p c b 绘制。d m 6 4 2 芯片可以运行在6 0 0 m h z 的处理速度，所 以电路板是一块高频板。本次绘制的电路板使用p r o t e l 软件，电路板分为六层。 三层信号，两层地，一层电源。电路中既有数字电路又有模拟电路，为了电路工 作的稳定性，没有选用软件的自动布线引擎，而是采用了交互式布线方式，绘制 工作量较大。 l 入式系统的软件开发。嵌入式系统的应用软件开发不同于p c 机上的 具有有限且少量的程序存储器及数据存储器，需要对软件在运行速度 上进行优化。本文列举了几种常用的嵌入式程序优化方法。 统在酒瓶检测中的应用测试。系统测试了酒瓶检测线上的图像处理应 p c 机上的程序移植到d s p 系统，分模块封装成可调用的函数。然后 发软件c c s 进行调试测试，再分函数计算程序运行所占用的时间。 对本系统以及今后基于d s p 的图像处理系统的发展作了总结与展望。 ：图像处理；d s p ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；啤酒瓶检测 a p p l i c a t i o ni nt h eb o t t l ed e t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h et r a d i t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m ，a n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd s pc h i pa n di t ss y s t e mi sp r o p o s e db a s e d o nt i st m s 3 2 0 d m 6 4 2c h i pe m b e d d e dt m s 3 2 0 c 6 4 xs e r i e so fi m a g ep r o c e s s i n g p l a t f o r mi d e a st oo v e r c o m et h et r a d i t i o n a lp c b a s e dm o d e lt h ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mw e a k n e s s e sa n di m p r o v et h es y s t e m s r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，t h em a x i m u m p o s s i b l e c o s tr e d u c t i o n ，a n ds t r e n g t h e n i n gt h es y s t e mo fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y p r o t e c t i o n t h es y s t e m sm a i nw o r ki n c l u d e si m a g et r i g g e r , a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g ，a n d i m a g et r a n s m i s s i o n i n t oas i n g l ep c bb o a r d ，w i t hv i d e oi n t e r f a c ec h i p sa n d p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ss a a 7 111as y s t e mf r o n t - e n df p g ai m p l e m e n t a t i o no f i m a g ea c q u i s i t i o na n di m a g eo u t p u tc o n t r o l ，v a r i o u st y p e so fc o m m o n l yu s e dd s p a l g o r i t h m sd e s i g n ，h i g h c a p a c i t ys y s t e m ，f l a s ha n ds d r a m s ot h a tt h es y s t e mc a n b ea p p l i e dt oav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o na r et h ef o l l o w i n g s e c t i o n s ( 1 ) e m b e d d e ds y s t e mc i r c u i ti sd e s i g n e do fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e t h r o u g h o u t t h es y s t e m ，i n c l u d i n gv i d e oc a p t u r ep a r to ft h em a s t e rc h i pd m 6 4 2 ，a n ds o m e p e r i p h e r a lc i r c u i t s ，m e m o r yc e l l si np a r t ( i n c l u d i n gf l a s h ，s d r a m ，d u a l 。p o r tr a m ， e t c ) ，a n dt h ef p g ap a r t p h i l i p sv i d e oi n t e r f a c eu s e db yt h ev i d e oc h i ps a a 7 111a t h ec o m p o s i t ev i d e o ，y cc o m p o n e n ta n a l o gv i d e os i g n a l ss u c ha sa dc o n v e r s i o nt o 1 1 1 a n ds m a l la m o u n to fp r o g r a mm e m o 巧a n dd a t am e m o r y , t h en e e df o rs o f t w a r et or u n o nt h es p e e da n ds p a c eo p t i m i z a t i o n t h i sa r t i c l el i s t ss o m e c o m m o n l yu s e de m b e d d e d p r o c e s so p t i m i z a t i o n ( 4 ) s y s t e mt e s t e di nt h eb o t t l ed e t e c t i o n s y s t e mt e s to ft h eb o t t l et e s to n l i n e i m a g ep r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s f i r s to fa l l ，d ot h ep r o c e d u r ep c ，t r a n s p l a n t a t i o n ， e n c a p s u l a t e di n t oc a l l a b l ef u n c t i o n s t h e nt h r o u g ht h ec c st od e b u gd s ps o f t w a r e d e v e l o p m e n tt e s t i n g ，s u b - f u n c t i o nt oc a l c u l a t et h et i m eo c c u p i e db yi m a g ep r o c e s s i n g f i n a l l y , t h ef u t u r eo ft h es y s t e ma n dt h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s p d e v e l o p m e n to fs u m m a r ya n do u t l o o k k e yw o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ；d s p ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；b e e rb o t t l ed e t e c t i o n 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 随着科技的进步，数字图像处理n 2 1 ( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 技术也有了 飞速的发展，使得所有图像处理的问题都可以用数字信号的形式来处理解决，这 为实时图像处理的应用提供了广阔的空间。首先，在数字信号处理理论中存在大 量成熟且快速的算法，如f f t 等，这些算法已经大量地应用于基于p c 机的图像 处理系统口吲当中；其次，由于超大规模集成电路、片上系统的高速发展，d s p i 6 1 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器) 为高速实现信号处理、达到系统的实 时性7 1 提供了可能。这些发展都使得图像处理技术广泛得运用于科学研究、工农 业生产、资源遥感探测、医疗卫生、空间探索等各个领域。 1 2 图象处理技术 图像处理是机器视觉h 同的基础，又称为计算机图像处理，它是指将图像信号 转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。它利用计算机及其它有关数 字技术，对图象数据施加某种运算和处理，可以使图象变得更清晰，也可以从图 象中提取某些特定的信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于上世纪6 0 年 代初期，早期的图像处理的目的是改善图像的质量，以改善人的视觉效果为目的。 图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像 处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。 图像处理的发展与计算机以及硬件技术的发展是紧密联系的，大致上可以划 分为四个阶段。 ( 1 ) 图像处理系统发展的第一阶段 第一阶段的时间大体上是2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代中期，这个时期的图像 处理系统采用机箱式结构1 ，主流计算机采用小型机。 ( 2 ) 图像处理系统发展的第二阶段 第二阶段的时间大体上是2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初期，这个阶段的 主要特点是小型化， 统，总线采用i s a 阻3 方式。 采用插卡式，绝大部分都采用p c 系列微机构成图像处理系 ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线，采用双屏操作 ( 3 ) 图像处理系统发展第三阶段 第三阶段的时间大体上是从2 0 世纪9 0 年代初开始，这一阶段图像处理系统 突出特点是单屏方式，以微机p c i 阳3 总线为支持的单屏方式和以图像压缩传输为 特点的图像通信方式成为主流方式。 ( 4 ) 图像处理系统发展第四阶段 随着数字信号处理各种算法日趋完善，特别是运算能力很强的数字信号处理 器( d s p ) 的问世，使现代图像处理系统进入了和计算机紧密结合的全数字阶段。 d s p 的运算速度和运算精度不断提高，片内的存储容量不断加大，系统功能、数 据处理能力以及与外部设各的通信功能小断增强，完全可脱离p c 机开发出基于 d s p 的图像系统。这种方案的优点是简单、灵活，成本比较低，便于实际中应用。 随着计算机价格的下降、处理速度的提高和内存的增加，图象处理应用越来 越广泛。通过计算机图象处理技术，可以直观地对图象进行变换，提取物体特征 目前，图象处理技术己在工业检测、邮件筛选、交通管理、高空侦察、虚拟现实、 生物医学等领域得到了越来越多的应用。 1 3d s p 技术的发展 d s p 是数字信号处理器的简称，在2 0 世纪6 0 年代，d s p 硬件使用分立元件， 价格高、体积大。在7 0 年代，出现了一些d s p 子系统的单片集成电路，主要用 于数字乘法器和地址发生器。1 9 7 9 年，因快速傅氏变换n 1 方法的提出和集成电路 技术的发展，d s p 技术开发出现了突破。在当时，i n t e l 发明了2 9 2 0 ，这是一片 4 0 针d i p 封装完整的信号处理器件，带有片内程序e p r o m 、数据r a m ，a d 和d a 转换器，并且它的结构和指令集非常强大，足以应用于一个全双工的1 2 0 0 b p s 的 调制解调器。n e c 于1 9 8 0 年前后推出的u p 7 7 2 0 具有专门的硬件乘法器，从而被 认为是第一块单片d s p 器件。t i 于1 9 8 3 年推出的t m s 系列，标志实时数字信号 处理领域的重大突破，它们有着很强的生命力，得到了广泛的应用。t m s 3 2 0 1 0 是 2 t m s 3 2 0 系列中的第一代产品，它采用了改进的哈佛结构。这种结构与严格的哈佛 结构的区别在于：它允许数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输，从而提 高了运行的速度和编程的灵活性。由于可以将数据从程序存储空间传送到数据存 储空间，也就没有必要设置专门的系数r o m 、这给系统设计所带来的好处是显而 易见的。 二十年来，随着集成电路技术的发展，促使了d s p 技术和器件的迅速发展， d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。从运算速度来看，m a c ( 一 次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到4 0 n s ( 如 t m s 3 2 c 4 0 ) ，处理能力提高了1 0 多倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件d 伽从1 9 8 0 年的占模区的4 0 n s 左右下降到5 n s 以下，片内r a m 增加一个数量级以上。从制 造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 u 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚微米c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上。近 几年来，d s p 的性价比越来越高，同时d s p 的开发环境不断改善，开发难度越来 越低，己经能被普通的应用开发工程师所接受。 d s p 芯片按照所支持的数据类型不同分为定点和浮点n 两大类。定点d s p 在 硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低，速度快的特点，因而用的最多。浮点 d s p 的优点是精度高，不需要进行定标和考虑有限字长效应，但其成本和功耗相 对较高，速度较慢，适合于数据动态范围和精度要求高的特殊应用。 1 3 1d s p 的主要结构特点 ( 1 ) 采用哈佛结构旧 哈佛结构不同于计算机c p u 的冯诺依曼结构哺3 ，其特点是程序存储器n 3 。1 5 1 和数据存储器各自具有独立的存储空间，独立的程序总线和数据总线，允许取指 令和执行指令重叠执行，允许对数据和程序同时寻址，允许直接在程序和数据之 间有两套或两套以上的内部数据总线，更适合处理具有高度实时性要求的数字信 号。 ( 2 ) 流水线技术 流水线技术n 6 3 是提高d s p 程序执行效率的重要手段，取指令和执行指令可以 同时执行，从而减少指令执行时间，进一步增强处理器的数据处理能力。 ( 3 ) 特殊的指令系统 d s p 芯片通常都有一套专门为数字信号处理而设计的特殊指令。 ( 4 ) 采用硬件乘法器 在信号处理中，用到大量的乘法运算，乘法运算很费时间，在d s p 中都有专 门的硬件乘法器n ”，现代高性能的d s p 芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器。 ( 5 ) 高速的时钟周期和强大的处理能力 d s p 系列芯片都带有片上p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) ，能将板上几 十m h z 的速度倍频到几百m h z 。同时处理能力可以达到上千m i p s n 妣玎( m i l l i o n i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，百万条指令每秒) 。如本系统使用的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 就 可以正常工作在6 0 0 m h z 的速度下，处理能力可达4 8 0 0 m i p s 。 ( 6 ) 设有片内存储器 外部存储器一般不能适应高性能d s p 核的处理速度，因此在片上设置较大的 程序数据存储器以减少对外部存储器中程序，数据的访问次数，充分发挥d s p 核的高性能。 1 3 2d s p 技术在工业上的应用 ( 1 ) 通用数字信号处理方面 数字滤波乜羽，卷积，相关，f f t ( 快速傅立叶变换) ，希尔伯特变换，自适应 滤波，窗函数，波形生成等。 ( 2 ) 通信方面 高速调制解调器，编解码器，自适应均衡器，传真，蜂窝网移动电话，数 字留言机，语音信箱，回音消除，噪音对消，电视会议，扩频通信等。 ( 3 ) 声音语音信号处理方面 语音信箱，语音识别，语音鉴别，语音合成，文字变声音，语音矢量编码等。 ( 4 ) 图形图像信号处理方面 三维图形变换处理，机器人视觉，模式识别，图像鉴别，图像增强，动画， 电子地图，桌面出版系统等。 ( 5 ) 控制方面 磁盘光盘伺服控制，激光打印机伺服控制，机器人控制，发动机控制，卡 尔曼滤波等。 4 ( 6 ) 仪器方面 谱分析，函数发生，波形发生，数据采集，暂态分析，模态分析，石油地 质勘探，飞行器风洞试验等。 ( 7 ) 医学电子学方面 助听器，x 射线断层扫描，超声设备，心电图脑电图，核磁共振，病员监护， 胎儿监视等。 ( 8 ) 军事方面 雷达与声纳信号处理，导航，制导，保密通信，全球定位，搜索与跟踪等。 ( 9 ) 计算机方面 阵列处理器，图形加速器，工作站，神经网络，多媒体计算机等。 1 4 论文的主要研究工作和章节安排 本论文共分为五章，第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景及意义，首先对 。 机器视觉技术、数字图像处理技术与d s p 技术的概述、发展及在工业上的应用作 了简单的介绍，然后最后简要介绍了本课题的来源和本文的章节安排。第二章概 述了图像处理系统的组成，对比了传统的图像处理系统与基于d s p 的图像处理系 统的优缺点。第三章讨论了d s p 硬件系统的各个部分的，介绍了d s p 芯片d m 6 4 2 的特性，以及d s p 系统的各个电路部分的设计与实现。第四章介绍了基于d s p 黟 的开发软件及嵌入式软件开发的较p c 软件开发的不同之处。第五章通过酒瓶在 线检测中的图像处理应用对本嵌入式系统进行了应用测试。第六章对本文所做的 工作进行了简单的总结，并对后续的工作提出了展望。 第二章图像处理系统概述 2 1 图像处理系统 按系统划分的方式来理解一个基本的图像处理系统n 3 ，其框图可如图卜1 所 图2 - 1 图像处理系统框图 图中各个模块分别为图像输入、图像处理以及图像存储以及其他数据存储、 处理结果输出。 2 1 1 图像输入模块 图像系统的输入部分主要由图像输入、图像采集两部分构成。在实际应用中， 图像输入一般采用c c d 摄像头拍摄得到现场图像。由于摄像头输出的信号多为 模拟信号，为了实现摄像头与数字处理系统的连接，必须采用图像采集卡1 3 l 将模 拟的图像信号转换为数据信号。 图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。图象经过采样、量化以 后转换为数字图象并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集。由于通过高速p c i 总线可实现直接采集图象到v g a 显存或主机系统内存，这不仅可以使图象直接 采集到v g a ，实现单屏工作方式，而且可以利用p c 机内存的可扩展性，实现所 需数量的序列图象逐帧连续采集，进行序列图象处理分析。此外，由于图象可直 接采集到主机内存，图象处理可直接在内存中进行，因此图象处理的速度随c p u 速度的不断提高而得到提高，因而使得对主机内存的图象进行并行实时处理成为 可能。 一般图像采集卡的结构如图1 2 所示。首先对视频信号进行预处理和同步分 6 离。预处理主要是进行放大、亮度、对比度调节、信号限幅( 保护a d ) 。同步分 离电路主要是分离出信号中的行同步和场同步信号，供采集卡的时序电路使用。 然后由高速的a d 转换器把处理后的视频信号转化为数字信号，在时序电路的控 制下写入存储器。 图2 2图像采集卡原理框图 但是现在市面上的图像采集卡往往数据采集和数据读取不能同时进行，这给 一 编程和实时控制带来很大的麻烦，也影响系统的实时性。 2 1 2 数据存储模块 数据存储可以是系统的图像存储，也可以是图像处理的算法、中间数值等数 据存储。图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处理蠢 系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。例如存储l 幅5 1 2 x 5 1 2 的 6 b i tr g b 图像需要4 m b i t 的存储器。 2 1 3 数据输出模块 通常的图像处理系统都有图像输出模块，输出图像处理的最终结果。结果可 以是最后处理完的图像，也可以是图像处理的其他形式数据结果。例如在智能交 通的汽车牌照识别系统中，系统要输出识别的汽车牌照数字信息以供后续的网络 数据库管理使用。 2 1 4 图像处理模块 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件实 现。当然，为了提高速度或克服p c 的限制下可以引用特制的硬件。尤其是随着 7 的图像处理理论以提高系统的性能，如图像边缘检测理论、神经网络在图像处理 中应用等；另一方面需要在复杂度提高的情况下，保证系统的处理速度，达到实时 性的要求，以保证系统的实际应用的价值。 传统的d s p 图像处理系统是的基于p c 机的信号处理系统，包括图像采集、 d s p 图像处理、p c 机数据管理三个部分。系统框图如图1 3 所示： 图2 - 3 传统的基于p c 机的d s p 图像处理系统 图像处理系统中最费时间，也即影响信号处理系统的实时性的瓶颈是数据的 处理部分。如果在p c 机完成图像数据的处理，由于通用p c 采用冯诺依曼存储 器结构并不是特别适用于数字信号的运算，不仅处理速度慢，而且造成占用c p u 时间过多，影响了p c 机对数据的管理，尤其是对于图像的数字处理，很难达到 实时的要求。因此该系统将信号处理部分从微机软件中分离出来，交给d s p 处理， 然后把d s p 处理好的数据再传给p c 机管理。这样不仅可以做到信号处理和数据 管理并行进行，而且充分利用d s p 对数字信号处理高速，并行的优势，一定程度 上提高了信号处理系统的实时性和稳定性。同时，因为信号的处理程序固化在d s p 芯片中，加强了系统知识产权保护的能力。 r 但是该系统存在着一定的局限性。一方面，d s p 处理板的p c i 接口芯片采用 了p c i 2 0 4 0 ，成为d s p 的h p i 接口和p c 机p c i 总线通信的桥梁。这样设计尽管一 定程度上降低了设计难度，但是对于图像处理这样需要大量数据存储和传输的系 统来说，h p i 接口的传输速度并不理想，数据的输入输出已经成为该系统实时性 能的瓶颈。 另一方面，该系统本身必须配备专用的图像采集卡作为系统输入的前端数据 源，图像采集卡将图像传输到p c 后，再通过p c i 总线以及p c 机运行的p c i 程序 将数据传输到d s p 图像处理系统板。d s p 系统完成图像运算后，将结果再次通过 p c i 总线传回p c 机，在p c 机上完成其他附加功能。过多的输入输出和p c i 数据 传输严重影响了系统的处理速度，降低了d s p 的优势。此外由于系统的可扩展性 较差，必须和专业的图像采集系统配合使用，一定程度上也影响实际产品的市场 推广。 ? 2 3 本章小结 综合以上分析，传统的d s p 图像处理系统，数据在整个系统中多次传输，浪 费了时间与带宽，降低了实时性。随着d s p 芯片集成度、运算速度、数据吞吐率 等性能的不断提高，d s p 已被广泛地应用于实时图像处理领域。同时d s p 采用哈，。 佛结构，数据存储器与程序存储器有各自的总线，使得图像数据在d s p 系统中的 传输时延大大缩小。再者d s p 芯片有专用的定点，或者浮点的乘法器，对于一些 特殊的操作，如矩阵等等，相当p c 机来说有相当的优势。单板嵌入式d s p 图像 处理系统越来越多的应用到实际当中去。 9 第三章实时系统的硬件设计 3 1 硬件框图 t m