（计算机应用技术专业论文）基于DSP的智能木片树种识别系统研究.pdf

摘要 木片是生产板材的重要原料，木片树种是影响人造板质量的重要木材因素之一，不 同树种的木片对板材的物理力学性能有较大的影响。这就需要准确实时的识别出木片中 的针叶树和阔叶树，以便于对板材生产中后续加工工艺参数进行实时控制，最终提高板 材质量。 本研究中共有5 4 个树种，其中阀叶树3 8 种，针叶树1 6 种，每个树种对应径切面 和弦切面两幅图像，所以共有1 0 8 幅树种图像作为木片树种识别系统的研究对象。主要 是研究利用纹理特征和颜色特征对木片进行识别分类。首先由c c d 摄像头采集到图像 后经a d 转换器转换成数字图像；用c 语言编写相应的处理程序对其进行低层次的处 理，进而提取所需纹理特征和颜色特征，这些特征主要包括对比度、相关、方差、能 量、r g b 三色亮度分量比例；然后利用三层误差反传神经网络( b p 网络) 进行识别； 在利用神经网络识别时，首先是在m a t l a b 上进行仿真，然后用c 语言编写程序，最后 将所编写程序下载到d s p 芯片上，以达到实时采集、实时处理、实时识别的目的 本文首先介绍了本课题研究背景、内容及意义，在比较国内外目前已有的基于d s p 的图像处理系统后，提出了本系统的硬件设计本设计采用v e g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) + d s p ( d i 百t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的混合结构，这样既能保证图像处理的准确 性，又能保证较高的计算性能；然后简单介绍了图像采集原理和一些低层次的图像预处 理方法，包括图像平滑和图像增强等；重点介绍了本系统所提取的木材图像特征( 纹理 特征和颜色特征) 的相关理论；在特征提取完后，介绍了几种图像识别的方法，主要是 神经网络图像识别法( 本系统用的是三层b p 神经网络) ，并给出了本系统所设计的b p 网络模型以及利用此模型进行识别后的结果及其分析。利用本系统最终识别率能达到 9 6 ，而且比较稳定，其识别错误原因主要是样本数量较少，泛化能力不是太好。 本研究成果对指导木材的加工和应用具有重要意义，如果应用在刨花板、纤维板等 人造板生产中以及造纸企业中，将会提高产品的质量，提高木材的利用率。所提取的特 征如果应用在木材检索系统中，将会提高检索效率。另外，本系统硬件方案设计 ( f p g a + d s p 的混合结构) 以及所提取的特征( r g b 三色亮度分量比例) 对其它图像 处理系统具有参考价值。 关键词树种识别；纹理特征；颜色特征：d s p ；v e g a a b s t r a c t w o o ds p e c i e si so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h eq u a l i t yo ft h eb u i l d i n gb o a r d ， e s p e c i a l l yt h ee f f e c to fi to nt h ep h i s i c a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e t h em a i np u r p o s eo ft h i s r e s e a r c hi st or e c o g n i z et h ew o o ds p e c i e sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y , s ot h a tt h ep a r a m e t e r si nt h e n e x tp r o c e s sc a nb ec o n t r o l l e da tr e a lt i m ea n df i n a l l yt h eq u a l i t yo ft h eb u i l d i n gb o a r dc a nb e i m p r o v e d t h e r ew e r e1 0 8i m a g e si n c l u d i n g3 8h a r d w o o d s a n d1 6s o f t w o o d s f o ru st os t u d yh o wt o r e c o g n i s et h ew o o ds p e c i e su s i n gt h et e x t u r ef e a t u r e sa n dc o l o rf e a t u r e s 。f i r s t ，w eg o tt h e i m a g ef r o mt h ec c dc a m e r a s e c o n d l y , w eg o tt h ed i g i t a li m a g ec o n v e r t e dt h r o u g ha d c o n v e r t e rt h a tc o u l db ep r e - p r o c e s s e da n da n a l y s e du s i n gc o m p o u t e ro rd s et h i r d l y , w e c o m p u t e dv a l u e so ft e x t u r ef e a t u r e sa n dc o l o rf e a t u r e s ，i n c l u d i n gc o n t r a s t , c o r r e l a t i o n ，v a r i a n c e ， e n e r g y , b r i g h t n e s sr a t i oo fr e d ，g r e e na n db l u e a tl a s t ，w ef m i s h e dt h er e c o g n i t i o nb yb a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r kw h i c hw a sa l s oc o m p i l e db ycl a n g u a g ea n dl o a d e dt h ep r o g r a m m et o t h ed s p c h i p i nt h i sp r o c e s sw ec o u l df i n i s ht h eo p e r a t i o n sa tr e a lt i m eo nd s e i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d , c o n t e n ta n dm e a n i n g a f t e r c o m p a r i n gt h ei m a g ep r o c e s ss y s t e m s o nd s p n o w a d a y s ，w ep u tf o r w a r d t h eh a r d w a r ed e s i g n m e t h o d ，i nw h i c hd e s i g nw eu s e dt h em i x e ds t r u c t u r eo ff i g aa n dd s p t h a tc o u l di m p r o v en o t o n l ya c c u r a c yo ft h ei m a g ep r o c e s s i n gb u ta l s ot h ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e n e x t ，w c i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p a lo ft h ei m a g ea c q u i s i t o na n ds o m em e t h o d so ft h ei m a g ep r o c e s s i n g ， i n c l u d i n gi m a g es m o o t h i n gm e t h o da n di m a g ee n h a n c e m e n tm e t h o d w em a i n l yi n t r o d u c e dt h e t h e o r i e so ft h et e x t u r ef e a t u r e sa n dc o l o rf e a t u r e se x t r a c t e d w ea l s oi n t r o d u c e ds o m ei m a g e r e c o g n i t i o nm e t h o d s ，o fw h i c ht h ea n n m e t h o dw a st h ei m p o r t a n to n e a f t e rt h et e s t ，w ep u t f o r w a r dt h eb pn e t w o r km o d e l ，b yw h i c hw eg o tt h er e e o g n i t o nr e s u l tt h a tt h ea c c u r a c yr a t e w a sa b o v e9 6 a n dt h es t e a b i l i t yw a sg o o d a tl a s tw ea n a l y s e dt h eg e a s o r l sf o r t h em i s t a k e s t h a tt h en u m b e ro ft h et r a i n i n gs a m p l e sw a sn o te n o u g h t h er e s e a r c hi si m p o r t a n tf o rt h ew o o dp r o d u c t i o na n du t i l i z a t i o n i fi ti su s e di nt h e p r o d u c t i o no ff l a k e b o a r da n do t h e rb u i l d i n gb o a r d s ，t h eq u a l i t yc a nh ei m p r o v e d ，m e a n w h i l e ， t h ew o o dc a nb et a k e ng o o du s eo f i na d d t i o n ，t h eh a r d w a r ed e s i g np u tf o r w a r da n dt h e m e t h o do fe x t r a c t i n gf e a t u r e sc a nb eg o o dr e f e r e n c ef o ro t h e ri m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s k e y w o r d s w o o ds p e c i e sr e c o g n i z a t i o n ；t e x t u r ef e a t u r e ；c o l o rf e a t u r e ；d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) ；f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壅煎签些盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：而归暖签字日期：莎呼7 年z ，月2 汨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞些盐些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 壅韭鉴些叁茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：码金毽导师签名： 签字日期：a 嘲年6 月谚日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 勐蛔 签字日期：加砷年6 月砂臼 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 课题研究背景 近几年来，国内房地产业、建筑装修业、家具产业的发展和人民生活水平的提高， 极大的促进了我国人造板工业的快速发展，特别是刨花板、纤维板产业的发展。目前， 我国进入了一个刨花板生产快速发展的时期，对刨花板的需求越来越多，对产品的质量 要求也越来越高。影响刨花板的质量因素是多方面的，包括原料、削片刨片工艺、导热 油干燥机、旌胶技术、铺装技术、热压工艺和控制技术等等目前，企业为了提高刨花 板、纤维板的质量主要采取措施是优化制备设备的配置。但是要生产高质量的板材除了 要采用先进的设备外，原料问题也很重要。有人说，刨花板的质量如何在料场就已经决 定了1 1 1 。可见，在新工艺新技术不断发展的过程中，刨花板的原料将在很大程度上影响 刨花板的质量1 2 , 3 1 。 刨花板的原料具有多向性，可以用木材、竹材、麦秆、蔗渣等资源通过一定的设备 加工成刨花。其中木材是生产刨花板、纤维板的主要原料，它具有重量轻、强度高、弹 性好、纹理美观、加工容易且属于可再生资源等特点1 2 1 。对刨花板生产中产生影响的木 材因素有：树种、密度、可抽提成分、解剖特征、含水率等树种不同，产生的刨花也 不同，这样对整个生产流程中物料流量、施胶量以及热压工艺等都有影响，最终对刨花 板物理力学性能有很大的影响。而且，树种不同的刨花板对甲醛的释放量也不同。用低 密度树种制成的刨花板甲醛散发能力高于高密度树种制成的刨花板i ” 我国小型刨花板厂很多，一般情况是来料较杂，而设备配置又不能过分细分，这就 要采取一些补救方法将密度相近的木片大致分类，然后再估计其混合原料的平均密 度。目前，我国主要是通过人工来识别木片树种，给出木片中各树种的比例。用人工来 识别树种，人为因素较大，误识别率高，且不能准确实时得到木片中各树种比例，进而 实时控制加工工艺参数，这样就会影响刨花板的质量。本系统可以克服上述缺点，能够 准确实时的识别木片树种，这样不仅可以提高原料利用率，节省本材资源，而且还可以 提高板材的质量 综上，本系统利用计算机领域的软硬件知识，将现代信息技术融合到木材学中最终 完成对木片树种识别系统的研究。 1 - 2 国内外在树种识别技术中的研究及其特点 国内外在树种识别技术上傲了不少的研究： 在我国，在木材信息计算机化方面进行了多年的尝试，最早于1 9 8 2 年中国林科院 的张齐春等首先用微型计算机研究“识别阔叶树材”，后来该院的程放等开发了“木材 综合信息数据库查询系统”，以及由杨家驹等人研制的“微机识别国产阔叶树材的研 东北林业大学硕士学位论文 究”等掣1 2 】。这些主要是通过关键字检索阔叶树，其关键是查找策略的研究。近几年又 有从木材纤维特征即从细胞角度进行树种识别的研究l l ”，这是比较精确的识别木材树种 的方法。我国于2 0 世纪9 0 年代初期，开始木材视觉环境学特性的研究，取得了丰硕的 研究成果。代表性的研究为：东北林业大学的刘一星、李坚教授等对国产1 1 0 个树种木 村视觉物理量的定量化参数进行提取、测量等研究，统计它们在颜色坐标系空间、主成 分空间的分布情况【1 4 , 1 5 j 本世纪初，我国学者又提出引用数字图像处理学开展木材纹理 定量化研究的构想，解决木材纹理无法定量的难题。我国东北林业大学的王克奇教授、 刘一星教授等人也在该领域进行了初步研究。像王克奇教授、于海鹏博士主要是从木材 纹理特征和木材视觉特征方面进行的研究，他们主要采用计算机图像处理技术探索木材 纹理分布的规律和木材颜色特征在树种识别中的应用，取得了一定的成果1 1 6 , 1 7 。 在国外，1 9 7 4 年l 丑n ym o r s e 成功推出计算机辅助硬木识别程序包i d e n t4 ， r ，b m i l l e r 于1 9 8 0 年就发表了一篇“w o o di d e n t i f i c a t i o nv i ac o m p u t e r ”的文章。r g p e a r s o na n de a w h e d e r 以及k e i k o ，k u v o d a 等人都对用计算机识别阔叶树种进行了研 究1 1 2 l 。这些研究其核心内容同样是查找策略的优化。上世纪9 0 年代开始又有从化学特 征角度使用d n a 技术进行木材树种识别的研究。基于d n a 的方法曾经被认为是不可 能用在干材上的，m o t o n a r io h y a m a - k e i i c h ib a b a t a k a ol t o h 于2 0 0 1 年发表了一篇题 为“w o o di d e n t i f i c a t i o no fj a p a n e s ec y c l o b a l a n o p s i ss p e c i e s ( f a g a c e a e ) b a s e do i ld n a p o l y m o r p h i s mo ft h ei n t e r g e n i cs p a c e rb e t w e e nt m ta n dt m l5 e x o n ”的文章，再次提出了 应用d n a 进行木材识别的方法并验证了这种方法的可行性l l s j 。至于在纹理方面的研 究，日本京都大学的增田稔博士开创了木材纹理研究的先河；仲村匡司采用计算机图形 处理模拟制作了各种木材径切面纹理模型图片，并调查分析了“自然感”心理量与其它 心理量以及纹理图形数字化参数之间的关系：伏劲松引用电磁学中等电位面的概念。以 线电荷的作用。推导出一个适合于木材纹理表现的体纹理函数i 。 1 3 木片树种识别系统研究内容 本系统主要利用数字图像处理技术进行树种识别，所应用的核心工具是高速数字信 号处理器d s p t m s 3 2 0 d m “2 。目前国内外对树种的识别理论关键是在细胞上的研 究，即在解剖特征上进行研究，这种方法识别准确率是很高的，但其无法应用到实时的 实际生产中。本设计主要从木材纹理统计特征和颜色特征对木片进行树种识别不同木 材的纹理，有其鲜明的个性特征，这些为进行树种识别分析奠定了良好的基础。颜色是 物体表面的一种视觉特性，每种物体都有其特有的颜色特征，同一类物体往往有着相似 的色彩特征，因此我们可以根据颜色特征来区分物体。由于颜色具有与生俱来的旋转不 变性和尺度不变性，得到了研究人员的广泛关注。这样在选择恰当的纹理特征后再选取 恰当的颜色特征可以使识别更准确，识别效率更高。这里选取的特征有：对比度、相 关、能量、方差以及红、绿、蓝三色亮度分量比例。本系统要完成的任务是用人工神经 网络识别法根据所选取的特征对木片进行针叶树还是阔叶树的识剐。经实验，本系统的 识别率可达到9 6 2 9 6 3 。 在进行特征提取之前要进行图像处理等，数字图像处理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。数字图像处理技术具有定量化、适应性较广、 精度高、具有再现性、灵活性大、存储容量大等特点，但与人类视觉处理速度相比其处 理速度较慢。但随着计算机技术的发展图像处理速度将不断提高，将在某些方面赶上或 超过人类的视觉处理速度，特别是随着数字信号处理器的不断发展。以往的系统进行树 种识别所用的工具是计算机，这样的系统具有系统庞杂。不容易应用到生产现场等缺 点，本系统用d s p 作为核心工具，使系统具有嵌入式、实时性的特点。数字信号处理 器( d s n 是针对数字信号处理需要而设计的一种可编程的芯片，是现代电子技术、计算 机技术和信号处理技术相结合的产物。其具有哈佛结构、多总线结构、流水线结构、多 处理单元、指令周期短、运算精度高、硬件配置强等特点。采用高速数字信号处理器 ( d s p ) 进行树种识别有集成度高、运算速度快、价格低等优点，而且可以使整个系统的 体积较小，容易嵌入到其它设备中。比较国内外目前已有的基于d s p 的图像处理系统 后，提出了本系统的硬件设计，采用f p g a + d s p 的混合结构，这样既能保证图像处理 的准确性，又能保证较高的计算性能。 本系统在实现时选取国内具有代表性的树种共5 4 种，其中阔叶材3 8 种，针时材1 6 种，分别列于表1 - 1 和表1 2 。对各树种均制取尺寸大小为1 2 0 m m x 8 0 m m 的木片径切面 和弦切面纹理试件。首先对所有试件利用c c d 摄像机采集图像，采样精度为5 1 2 5 1 2 像素，灰度层次为2 5 6 级，保存为标准b m p 图像格式然后对采集到的图像进行处理 并提取特征，最后进行识别树种工作的研究 表i - i 嗣叶材树种 东北林业大学硕士学位论文 ( 续表) t l黑桦 b e t u l ad a h u r i c ap a l l 桦木属 1 2 水曲柳f r a x i n u sm a n d s h u r i c a白蜡树属 1 3 白蜡树 f r a x i n u sc b i n e n s i s 白蜡树属 1 4 红木荷s c h “崔苍攀“c 木荷属 b e t u l a f r a x i n u s f r a x i n u s s c h i m a 桦木科 木犀科 木犀科 山茶科 b e t u l a c e a e 0 l e a c e a e o l e a c e a e t h e a c e a e 1 5 厚皮香 ：；篡! ：翟篡 厚皮香属1 c m s i r m i i i i a山茶科1 1 i c a * ” 1 6紫椴t i l i aa m u r e n s i s椴树属t i l i a 椴树科t i l i a c e a e 1 7 大青杨p o p u l u su s s u r i e n s i s杨属p o p u l u s 杨柳科s a l i c a c e a e 1 8 山杨p o p u l u s d a v i d i a n a 杨属p o p u l u s 杨柳科 s a l i c a c e a e 1 9 粉枝柳 s a l i xr o r i d a 杨属p o p u l u s 杨柳科 s a l i c a c e a e 2 0 钻天柳 c h o s e n i am a c r o l e p i s 钻天柳属 c h o s c n i a 杨柳科 s a l i c a c e a e 2 1 山槐 a 1 “谢4 。置磐m 。x b ) 合欢属 a l b i z i a 豆科 r o s a c e a e 2 2 合欢 a l b i z i a j u l i b r i s s i n 合欢属a l b i z i a豆科 r o s a c e a e 2 3 青楷槭a ”黜t o s “ 槭树属a 槭树科触m 。e 2 4色术槭a c c rm o l l om a x i m 槭树属 a c e r 槭树科 a c e r a c e a e 2 5 白牛槭 a c e rm a n d s h u r i c u m 槭树属 a c f g 槭树科 a c e r a c e a c 2 6 扇升饭觚器裟把k a f 槭树属a 。h槭树科a n 。c 2 7 漆树 1 ：害瓮：“ 漆树属t o x i c o d e n d r o n漆树科 a n a c a r d i a c e a e 2 8 银桦 g r e v i l l e ar o b u s t a 银桦属 g r e v i l l e a 山龙眼科p r o t e a c e a e 2 9 黄波罗 9 譬竺芝毖” 黄檗属p h a l l o d e n d r o n芸香科 r u t a ” 3 0 梓树 c a t a l p a o v a t a 梓属 c a t a l p a 紫葳科 m g n o n o a c e a e 3 1 滇楸 c a t a l p ad u c l o u x i i 梓属 c a t a 岫 紫葳科 b i g n o n o a c e a e 3 2 刺楸 k a l o p a n a xs e p t e m l o b u s 刺楸属 k a l o p a n a x 五加科 a r a l i a c e a e 3 3 山桔子 g a r c i n i am u l t i f l o r a 藤黄属 g a r c i n i a 藤黄科 c l u s i a c e a e 3 4 重阳木 b i s c h o f i a j a v a n i c a 重阿| 木属 b i s c h o f i a 重阳木科 b i s c h o f i a c e a e 3 5 白花泡桐p a u l o w n i af o r t u n e i泡桐属p a u l o w n i a 玄参科 s c r o p h u l a v i a c e a e 3 6 毛红椿 1 嚣罂：= ” 香椿属t o o n a楝科 m c l i a c c 酩 3 7 杉木 l ：芝：訾磐盎 杉木属 c u n n i n g h a m i a杉科t a x o d i a a c 3 8 樟木 c a 三美等芷了之s l 樟属 c i i i n a n m m u m樟科 l 丑u r a c c 4 表1 - 2 针叶材树种 5 2 木片树种识别系统方案设计 近几年利用数字图像处理技术进行树种识别的研究较多，但大多是通过图像采集卡 将图像传送到计算机上，在计算机上运行图像识别程序完成图像的识别过程。但是这样 的系统有系统庞杂、造价高等缺点，而且不易安装在实用现场，因此本课题提出用d s p 作为工具来进行树种识别采用高速数字信号处理器( d s p ) 有集成度高、运算速度 快、价格低等优点，而且这样可以使整个系统的体积较小，容易嵌入到其它设备中，进 而可以应用到实时生产现场中本系统的装置图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统装置图 2 1 木片树种识别系统硬件设计 2 1 1d s p 芯片的特点 d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处 理器l 坤l ，它的主要特点是： ( 1 ) 哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯纽曼( v o n n e u m a n ) 结构，其片内程序空间 和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。当高速运算 时，不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许同时取指令( 来自 程序存储器) 和取操作数( 来自数字存储器) 。而且，还允许在程序空间和数据空间之 间相互传送数据。即改进的哈佛结构 术片树种识别系统方案设计 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次 访问程序空间和数据空间。例如在t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 、e 等4 条总线( 每 条总线又包括地址总线和数据总线) ，可以在一个周期内从程序存储器取一条指令、从 数据存储器读两个操作数和向数据存储器写一个操作数，大大提高了d s p 的运行速 度。因此，对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能 就越复杂。 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段。在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，如图2 2 所示。这样在 执行本条指令的同时，还依次完成了后面的3 条指令的取操作数、译码和取指，将指令 周期降低到最小值。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理 中用到更多的乘法累加运算。 时钟 取指 译码 取操作数 抽行一型01 1 垒，一! ! 墨+ 整- 执行_ 卜+ + 图2 2 四级流水线操作 ( 4 ) 多处理单元 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑单元( a r i t h m a t i ct o g i eu n i t ， a j u ) 、辅助寄存器运算单元( a s s i s t a n tr e g i s t e ra r i t h m a t i cu n i t ，a r a u ) 、累加器 ( a c c u m u l a t o r ，a c c ) 以及硬件乘法器( m u l t i p l i e r ，m u l ) 等。它们可以在一个指令周期内 同时进行运算。例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完成了下一 个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分地准备。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一些特 殊的d s p 指令。如m a c d ( 乘法、累加和数据移动) 指令，具有执行l t 、d m o v ，m p y 和a p a c 等4 条指令的功能。 ( 6 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约4 0 0 n s ，采用4 m n m o s 制造工艺，其运算速度为 东北林业大学硕士学位论文 5 m i p s ( 每秒执行5 0 0 万条指令) 。随着集成电路的发展，d s p 广泛采用亚微米c m o s 制 造工艺，其运算速度越来越快。t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 的时钟为3 0 0 m h z ，运行速度达到 2 4 0 0 m i p s ，本系统所用的d m 6 4 2 芯片的时钟为6 0 0 m h z ，运行速度为4 8 0 0 m i p s 。 ( 7 ) 运算精度高 早期的d s p 的字长为8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算过 程中溢出，有的累加器达到柏位。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内具有串行口、主机接口、d m a 控制器、软 件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合i e e e1 1 4 9 1 标准 的测试访问口等，易于完成系统设计 2 1 2 木片树种识别系统硬件方案选择 实现图像处理的主要方式有以下几种：( 1 ) 在通用计算机上用软件实现图像处理； ( 2 ) 利用通用单片机；( 3 ) 利用专用d s p 芯片；( 4 ) 利用通用可编程d s p 芯片；( 5 ) 利 用f p g a 可编程芯片：6 ) 利用通用可编程d s f 芯片与用户现场可编程门阵列 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的结合 目前的图像处理系统中，主要应用的是第( 1 ) 种，但这种方式要占用c p u 几乎全部 的处理能力，速度相对较慢，不适于实时处理，而且系统比较庞大，不适于嵌入式应 用；所谓单片机具有位处理能力，主要是指控制和事务处理功能，主要适于数字控制等 不太复杂的数字信号处理。不适合计算较大的图像数据处理；采用专用d s p 芯片，其 应用范围受限，系统不够灵活，无法进行算法的升级与更新；采用通用可编程d s p 芯 片，其处理功能可以通过软件灵活方便的修改和升级，可是d s p 芯片具有功耗大、体 积大、成本高等缺点；采用第( 5 ) 种方式，可以避免功耗大、体积大的缺点 ：e l ，可以根 据系统要求，在硬件构造上做灵活的配置，同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生 不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活；但对于复杂的算法，设计复杂度上升 非常快；基于d s p 芯片和f p g a 芯片的优缺点，本系统采用第( 6 ) 种方式f p g a 能进 行现场设计、现场编程、现场验证、现场修改与分析，而且f p g a 的容量已经跨过了百 万门级，使得f p g a 成为解决系统级设计的重要选择方案之一；d s p 芯片的可编程性和 强大的处理能力，使其可用于快速地实现各种数字信号处理算法，而且用d s p 芯片作 为主处理器具有接口丰富、集成方便、编程方便、稳定性好、精度高等特点1 1 9 - 2 7 。 d s p + f p g a 组成的系统具有结构灵活，通用性强，适于模块化设计的特点，从而 提高了算法效率：同时其开发周期短，系统也易于维护和扩展，适合于实时信号处理。 在图像处理系统中，低层的信号预处理算法要处理的数据量很大，对处理速度的要求 高，但算法结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵 活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂， 适于用运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实现。本系统主要用 术片树种识别系统方案设计 f p g a 来执行中断逻辑控制，用来监控中断信号，为d s p 产生一个尖端触发中断。d s p 用来实现图像预处理、特征提取以及最后的树种识别。d s p 与f p g a 的连接图如图2 3 所示。对f p g a 的编程是通过d s p 完成的，f p g a 芯片提供了一个连续的编程端口 p r o g ，利用这个端口与d s p 的g p 0 0 端口连接，通过d s p 对f p g a 进行编程 图2 - 3d m 6 4 2 对f p g a 端口 2 1 3 木片树种识别系统硬件设计 图“树种识别系统硬件方案框图 木片树种识别系统硬件方案框图如图2 4 所示。其中使用的d s p 芯片是1 1 公司的 6 0 0 m h z 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司近来发布的新一代多 媒体处理器，它基于其第二代高性能的v e l o c i t iv l i w ( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结 构，可在每个周期执行8 条3 2 b i t 的指令，具有很强的并行处理能力，适用于多种数字 媒体应用。d m 6 4 2 的时钟频率为6 0 0 m h z ，指令速度高达4 8 0 0 m i p s 。f p g a 使用的是 x i l i n xx c 2 s 3 0 0 e 系列芯片，其型号为x i l i n x s p a r t a n t m l i ex c 2 s 3 0 0 e - 6 p q 2 0 8 c 。a d 转换器使用的是p h i l l i p s 公司的s a a 7 1 1 5 h l 。d a 转换器使用的是p h i l l i p s 公司的 东北林业大学硕士学位论文 s a a 7 1 0 5 h l 。数字图像处理器采用存储容量为4 mx6 4 b i t 同步动态存储器 ( s d i 认m ) ；程序存储器采用8 m b i t 的f l a s h ，可以写进大量程序，具备自启动功能。 其工作原理如下：系统上电，初始化完毕后，当键盘向f p g a 发送图像采集控制信 号时，f p g a 控制a d 转换器，抓拍木片图像并将其转换成数字图像，d s p 对采集到的 数字图像进行处理并保存图像在数字图像存储器s d r a m 中，处理完后将数字图像信号 和识别结果一并送到f p g a ，在f p g a 中将数字图像信号与识别结果相关信息叠加后传 送到d a 转换器，d a 转换器将处理后的数字信号转换成模拟信号，并发送到显示器进 行显示。 2 - 2 木片树种识别系统软件设计 2 2 1 木片树种识别系统总体软件设计 由系统软件的总体流程图2 5 可知，系统上电后，d s p 程序引导模块开始加载程序 并对系统初始化，等待中断的到来，当接收到采集命令后，启动视频图像采集，采集图 像，等一帧图像采集完后，屏蔽外部中断源，关d s p 中断，清除f 1 f 0 中的数据，对图 像进行预处理，特征提取以及树种识别等操作，并最终将图像和识别结果一并显示等 这一切结束之后，开放外部中断源，开d s p 中断，等待下一个中断信号到来，若下一 个信号仍是采集图像的信号，则重复前述过程，若是结束信号，则恢复到初始化状态。 d s p 程序的设计可在1 1 提供的c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 集成开发环境中用c 语言编写1 2 & 3 5 1 。 编写d s p 程序主要有三种类型：( 1 ) 用汇编程序；( 2 ) 线性汇编；( 3 ) 高级语言。其 中第( 1 ) 种类型编程执行效率最高，但出于需考虑指令的相关性和并行性、资源分配等 问题，难度很大；用第( 2 ) 种类型编程执行效率不如第( 1 ) 种，不需考虑指令的相关性和 并行性、资源分配等问题，难度没有汇编大；第( 3 ) 编程方式中所用的高级语言主要是 c 语言，可读性好，移植性好，难度最小虽然采用高级语言性能最低，但c 6 0 0 0 d s p 的编译器性能有了较大提高，因此一般也能满足要求。 实际丌发时在考虑了性能和成本后。般以c 程序为主，而在关键代码段用线性汇编 或汇编重写，这种混合编程方式目前最为流行此外在编写c 代码时应注意：各种数据 类型的大小：定点乘法尽量用s h o r t 类型输入；循环计数变量用i n t 或无符号i n t 类型 对c 代码进行优化的技术主要有以下几种，但在进行优化前最好先验证功能是否正 确，然后再考虑性能的优化： ( 1 ) 使用c 编译器的优化选项。 ( 2 ) 由于c 编译器只能对最内层循环进行优化，因此有时需展开内层循环，组成较 大的循环结构，以牺牲代码的大小来换取性能的提升。 ( 3 ) 使用编译器的内部函数来代替自己所写的复杂代码。因为这些内部函数是由专 家们编写，一方面性能有保障，另一方面有时标准c 中没有对应d s p 特殊操作的函 数，用这些内部函数则可充分利用d s p 资源 木片树种识别系统方案设计 ( 4 ) 尽量减少数据存取的次数。比如两次1 6 位数据的存取操作可用一次3 2 位的数 据存取操作来取代，这样一方面是一次取了两次的数据，另一方面还可以充分利用d s p 特殊指令的优势( 如3 2 位数据的高低1 6 位的独立乘法或加法操作) ( 5 ) 利用软件流水线技术提高循环结构的代码性能。但要注意循环结构中不能包含 除编译器内部函数以外的代码调用，也不能有b r e a k 或改变循环计数器技术值的代码 图2 - 5 树种识别系统总体流程图 2 2 2f l a s h 烧写及自启动 木系统首先在c c s 2 2 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i ov e r s i o n2 2 ) 代码调试器上进行软件 设计和调试。c c s 代码调试器是一种针对标准t m s 3 2 0 调试接口的d s p 芯片集成开发 环境i d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 。c c s 2 2 包含源代码编辑工具、代码调 试工具、可执行代码生成工具和实时分析工具，并支持设计和开发的整个流程。它能动 态提示c 语言和d s p 汇编语言源代码，能很容易地阅读和理解源代码，及时发现和定 东北林业大学坝士学位论文 位语法错误。关于各模块具体软件设计将在后续章节中介绍。在所有软件设计完后。要 把程序下载到硬件设备中。 在这里使用2 9 l 0 0 b 芯片提供8 m 位的f l a s h 空间，其访问地址空间为c e l 空间 9 0 0 0 0 0 0 0 h 9 0 0 8 0 0 0 0 h 。在逻辑器件的控制下，可分为两页访问。f l a s h 按照8 位数据宽 度与d m 6 4 2 连接，亦即c p u 读写f l a s h 是按照8 位的方式进行。 一般说来，使用不同型号的f l a s h ，在接口数据位宽相同的情况下，其读操作是相 同的。不同的f l a s h 需要不同的写入时序和操作顺序这里的f l a s h 主要用于自启动功 能和存储f p g a 的配置数据。f l a s h 所需的高3 位地址线由f p g a 提供，在复位时此3 位默认为0 。其连接图如图2 - 6 所示。 在系统结束复位状态时，d m 6 4 2 将f l a s h 空间( c e l 空间，起始地址为 9 0 0 0 0 0 0 0 h ) 的前1 k 字节复制到片内0 地址开始的存储单元中，并从o 地址开始执行。 由于用户程序的长度往往大于1 k 字节，所以位于0 地址的程序经常是一个装载程 序，它用来完成将应用程序从f l a s h 中读出放到r a m 存储器中，这个装载程序被叫作 b o o t l o a d c r 。 d m 6 4 2 f p g ap a g er e g i s t e r f l a s h a m a l 8 a 1 9 - 2 1 图2 - 6f h s h m e m o r y 接口 数据在f l a s h 中安排如下：开始的1 k 字节