（仪器科学与技术专业论文）基于dsp的中子数字图像小波去噪算法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘摘要要 中子数字成像，是指在中子辐照场里，使中子穿透被测物质后通过中子数字 成像系统而获取图像的过程。中子图像携带着被测物质的内部结构信息。由于在 中子成像的过程中，不可避免地会受到射线污染、中子散射、ccd 电子噪声等 因素的影响，使得所获取到的中子数字图像会发生降质，如噪声严重、细节模糊 等，不利于分析、判别被测物质的内部信息，因此开展中子数字图像处理研究工 作至关重要。 在中子数字图像处理研究中，由于中子图像的大数据量、处理算法的高复杂 性等特点，使得纯软件处理速度慢，达不到中子图像处理的速度要求。随着 dsp、 fpga 等芯片的诞生与发展，人们更多的寻求中子图像处理的硬件实现。硬件级 dsp 具有处理速度快以及有复合功能的单周期指令等特点，在高速数字图像处理 中得到了越来越广泛的应用。尤其是，将图像处理算法移植到 dsp 芯片之中，以 提高数字图像处理的速度及算法的保密性、实时性等，是一种行之有效的图像处 理发展方向。 有鉴于此， 本论文研究开发了一套基于 dsp 和 pci 总线结构的高速中子图像 处理系统，以提高中子图像处理速度。系统的硬件设计以 dsp 和 pci 接口芯片为 平台，dsp 实现图像处理算法、管理系统运行以及实现系统的自启动；pci 接口芯 片实现 dsp 与 pc 机的 pci 总线高速接口。 在 dsp 仿真实验平台上，初步对中子图像去噪算法进行了研究。针对中子图 像中的噪声特性，选择使用小波阈值去噪算法进行去噪，在 ti 公司生产的 dsp 芯 片 tms320vc5416 上实现并改进了小波算法，在此基础上，提出了适合定点 dsp 实现的阈值算法。 研究结果表明，所研究设计的中子数字图像处理系统，处理速度快，能够达 到实时性的要求，且保密性好。 关键词：中子数字成像，数字图像处理，dsp，tms320vc5416，小波算法， 图像去噪 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract digital neutron image, obtained from the digital neutron imaging system after neutrons penetrate through the sample, carries information about the sample s internal structure.unavoidably affected by - ray interference, neutron scattering and ccd s electronic noise, neutron images always suffers from degradation, e.g. corrupted by intense noise, detail- blurred, thereby it is not advantageous to extract and analyze the information about the sample s internal structure. in the study of digital neutron image processing, the processing algorithms to deal with large amout of image data are so complex that the low- speed software- based procession can not meet the demand of realtime processing. with the birth and development of dsp, fpga chips, people focus more on the hardware approach of image procession. digital signal processor (dsp) has the characteristics of high- speed procession and single- cycle instruction providing complex functions; therefore, it becomes more and more popular in the applications of digital image processing. in particular, transplantation of wavelet image processing algorithms to the dsp hardware can improve processing speed, algorithm s confidentiality and real- time performance. it is a new trend of effective image processing. according to the above analysis, based on dsp hardware and pci bus, a high- speed digital neutron image processing system is designed to improve neutron image processing speed. the system uses dsp and pci interface chips as a hardward platform. the dsp carries out algorithms, manages system s operations, and achieves the system auto boot. pci interface chip is used for high- speed pci bus interface from dsp to pc. on the dsp simulation platform, denoising algorithm for neutron images is studied. contraposing the noise characteristics of neutron image, wavelet threshold de- noising methods are chosen. the paper achieves and improves the wavelets algorithms on the chips of tms320vc5416 of ti company, based on which the threshold algorithms suitable for fixed- point dsp are introduced. results show that this system achieves high processing speed, meets the real- time requirements and has good confidentiality. keywords: neutron digital imaging ,digital image processing， dsp ， tms320vc5416， wavelet algorithms，images de- noise 酽一一一1 k j 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 重庆大学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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆大学有关保留、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。本人授权重庆大学可以将学 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（） ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密（） 。 （请只在上述一个括号内打“” ） 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 重庆大学硕士学位论文1 引言 1 1引引言言 1.1 概述 在人们的信息获取系统的研究中，图像信息的获取占了很大的比重，这是与 图像信息的直观、真实性以及人的习惯分不开的。 如今，人们已进入了数字时代，数字图像的获取、数字图像的处理方法一直 是人们研究信息获取系统关注的焦点。作为近代数字成像技术之一的中子数字成 像，其数字图像是指在中子辐照场里，中子穿透被测物质后通过中子数字成像系 统所获取到的图像。它携带着被测物质的内部结构等信息。由于在中子成像的过 程中，不可避免地会受到射线污染、中子散射、ccd 电子噪声等因素的影响， 使得所获取到的中子数字图像会发生降质，如噪声严重、细节模糊等，不利于分 析、判别被测物质的内部信息。所以对中子数字图像进行适当处理至关重要。 1.1.1 图像处理的发展状况 图像处理系统的发展大致可以分为 3 个阶段1。早期的图像处理系统比较昂 贵，多以小型机为主机，且多人轮流使用一台设备，这时的图像处理系统可称为 图像大系统，这个阶段为第一阶段，这一阶段的图像处理系统具有以图像帧存为 中心的系统结构。 随着微机性能的提高和价格的大幅度下降，在图像处理实验室里一人一机不 再是奢侈的配置，图像处理系统也得到了极大的普及，这时的图像处理系统可称 为图像小系统，这个阶段为第二阶段，这一阶段的图像处理系统具有以计算机内 存为中心的系统结构。 随着网络数据库的发展，系统走出了一人一机的圈子，服务器、客户机、 internet、浏览器、网络数据库图像处理系统似乎是变大了，资源也增多了。 计算机编程语言、操作系统出现了多样化，多 cpu 的服务器开始走进普通的实验 室，分布式计算机系统被用来构造指纹识别系统、人面识别系统，图像处理系统 越来越大型化，这时的图像处理系统可称为超级图像处理系统，这个阶段为第三 阶段，这一阶段的图像处理系统具有以网络为中心的系统结构。 然而，计算机的处理能力永远满足不了图像处理的需求2，实际的图像应用 往往在其能够支持的图像分辨力、能够达到的帧速率、能够应用的算法或能够产 生的图像的质量方面收到限制，这是因为硬件还不够快。需要高处理能力的原因 有两个，图像的高数据量以及视频图像处理的需要。 重庆大学硕士学位论文1 引言 2 按照习惯划分，图像处理可以分为软件处理和硬件处理，硬件处理中含有软 件处理和软件介入。要设法满足对处理能力的要求，必须从如下两方面着手：改 进标准微处理器的性能、探索寻求适合图像处理的专用 ic。20 世纪 8090 年代是 图像硬件处理技术发展的黄金时期，许多大型系统问世，并达到了很高的水平3。 例如美国的 cyt01 流水线处理机， 采用 88 级流水线， 可达到每秒 6 10140次的 “邻 域”操作的处理速度；美国的 mpp 位平面阵列处理机，处理阵列为256256，可 达到每秒 6 10206次“33卷积”操作的处理速度。但是，这些系统都是价格昂贵 的大型系统，难以广泛应用。 自 dsp（digital signal processor）问世以来，以它的高处理速度、复合功能 的单周期指令、哈佛总线结构等特点，受到人们的青睐，在高速图像处理中得到 越来越多的应用。 清华大学电子工程系研制的 th15f 高速图像处理卡，采用 tms320c25 作 cpu，具有内部视频总线，能够以视频速率输入、输出一帧图像数据。 用多个 dsp 芯片构成的图像并行处理系统，可以有效地提高图像处理的速 度。 清华大学电子工程系和中国科学院科理高公司联合研制成功的 gieb 微机高速 图形图像处理系统，该系统采用了双 c25 并行工作，通过 isa 总线同微机进行数 据交换， 由于 isa 总线数据带宽低 （4mb/s） ， 与 c25 的高速度产生数据瓶颈问题， 严重影响了图像处理的速度（系统框图见图 1.1）。 数据ram 11 数据ram 12 tms320c25（1） 程序存储器（1）程序存储器（2） tms320c25（2） 数据ram 21 数据ram 22 计算机总线 多路开关 图 1.1 gieb 图像处理系统框图 fig 1.1 the block diagram of the gieb system 天津大学研制的图像处理系统使用了两片 tms320c40 芯片，同样用的 isa 总线，存在同样的数据瓶颈的问题。 重庆大学硕士学位论文1 引言 3 西安交通大学人工智能与机器人研究所研制的“pci 总线高速 dsp 图像处 理卡” ， 使用 pci9054 作为 pci 总线控制器， ti 高速定点 dsp 芯片 tms 320c 6202 作为处理器有效提高了图像处理速度及数据传输速度。 天津大学研制的医学信号处理系统使用 ti 公司的 pci- dsp 桥接控制器芯片 pci2040 及 dsp 芯片 tms320c5402 实现了高速心电数据传输和处理。如图 1.2 所 示。 图 1.2 医学信号处理系统框图 fig 1.2 the block diagram of the medical signal processing system 加拿大 matrox 公司采用 tms320c80 芯片设计了 genesis 系统，该系统采 用板卡式结构，可插入 pci 插槽，使用 pci 总线，有效解决了数据瓶颈问题。 1.1.2 小波在图像处理中的应用 小波变换的概念从上世纪 80 年代提出以来， 发展迅速， 现已在数学领城的许 多学科，以及信号分析，图像处理，量子力学，计算机视觉等方面得到了广泛的 应用。特别是在图像处理中的图像编码应用中，小波技术可谓炙手可热。这是由 于小波变换具有空间频率局部性，方向性，多分辨率特性和带宽在对数频率轴 上等宽的优点，并与视觉特性相近，所以不仅可以利用统计特性，还可以利用视 觉特性来提高编码的效率，并且用 qmf 和金字塔算法还可以实现图像的正交，无 冗余分解。从这些优点看，小波变换是一种很好的图像的分解、表示方法，利用 小波变换可以较好地实现图像处理算法。 1.2 选题依据及研究意义 本论文研究工作依托国家军工项目“中子数字成像系统的研制” （项目编号： jw20*24068）而进行的。其目的是致力于中子成像的数字图像的硬件处理，数字 重庆大学硕士学位论文1 引言 4 图像的硬件处理系统是解决图像处理速度问题的有效方法，尤其是，硬件级 dsp 在图像处理领域得到越来越多的应用。 因此， 本论文的研究工作意义是基于 dsp 技术， 研究开发一种图像处理系统， 以提高数字图像处理的速度。 1.3 研究内容及特色 主要的研究内容及特色有： 1）开展了数字图像硬件处理系统的广泛调研，确定了硬件构成； 2）根据硬件构成，完成电路图设计； 3）根据定点 dsp 的硬件特点、指令特点，进行了小波变换算法研究，开发 的算法适合 dsp 硬件实现； 4） 研究了中子数字图像的噪声特性， 决定使用小波阈值萎缩法进行中子图像 去噪，在 dsp 上实现并改进了提升小波，提出了一种适合 dsp 实现的阈值估计方 法，并进行了仿真实验验证； 5）对 pci 总线驱动程序进行了初步研究； 6）研究了基于 dsp 和 pci 总线的中子数字图像数据处理系统，该也可以作 为其它数据处理的硬件平台，有一定的通用性。 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 5 2dsp 技术技术 2.1 dsp 系统构成及特点 2. 1. 1 dsp 系统的构成 图 2.1 示出了一个典型的 dsp 系统4- 10。图中，输入信号可以有各种各样的 形式，例如，可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，也可 以是编码后在数字电路上传输或在计算机中存储的摄像机图像信号。 输出输入 抗混叠 滤波 a/ddsp芯片d/a 平滑 滤波 图 2.1 典型的 dsp 系统 fig 2.1 the typical system of dsp 一般输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行模/数（a/d，analog to digital）变换，将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，对低通模拟信 号，为保持信息的不丢失，抽样频率必须至少是输入带限信号最高频率的 2 倍。 dsp 芯片的输入是 a/d 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号， dsp 芯片 对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作(mac)等。 最后， 经过处理后的数字样值再经 d/a (digital to analog)变换转换为模拟样值， 之 后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 必须指出的是，上面给出的 dsp 应用系统模型只是一个典型模型，但并不 是所有的 dsp 系统都必须具有模型中的所有部件。 2. 1. 2 dsp 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础， 因此具有数字处理的全部优点： 1)接口和编程方便。dsp 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都 是相互兼容的，与这样的系统接口来实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口 容易得多;另外， dsp 系统中的可编程 dsp 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方 便地对软件进行修改和升级。 2)稳定性和可重复性好。dsp 系统以数字处理为基础。受环境温度、湿度、 噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高;数字系统的性能基本不受元器件参数 性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 3)精度高。16 位数字系统可以达到 5 10的精度。 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 6 4)特殊应用。有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、v 型 滤波器、线性相位滤波器等等。 5)集成方便。dsp 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 2.2 tms320c5000 系列 dsp 芯片 目前世界上生产 dsp 芯片的公司主要有 ti（德州仪器）公司，ad（美国 模拟器件）公司，technologics（朗讯技术）公司和 motorola（摩托罗拉）公司四 大公司，而 ti 公司则是世界上最大的 dsp 芯片供应商，生产的数字信号处理器 tms320 是包括定点、浮点和处理器在内的数字信号处理器（dsps）系列，其结 构尤其适用于作实时信号处理。公司自 1982 年成功推出启迪一代 dsp 芯片 tms32010 及其系列产品之后，相继推出了 tms320c2x、tms32c3x、 tms32c4x、 tms32c5x、 tms32c6x 以及集多个 dsp 于一体的高性能 dsp 芯 片 tms32c8x 等， 都取得了极大的成功。 其中 tms320c5000 系列是为实现低功 耗，高性能而专门设计的中高档定点 dsp 芯片。 1）结构特点 a. 16- bit 定点 dsp； b. c54x 有单 mac 单元；c55x 有双 mac 单元； c. c55 的指令长度可变，且没有排队的限制； 2）综合介绍 c5000 是 16- bit 定点 dsp 系列，包括 c5x、当前主流的 c54x 和最新的 c55x。c55x 和 c54x 源代码兼容，而 c5x 和 c2x 源代码兼容。c54x 关注于 低功耗，而 c55x 则将低功耗提到一个新水平。c54x 和 c55x 采用改进的哈佛结 构。c55x 具有 12 组独立的总线， c54x 有 8 组。它们都有一组程序总线和相 应的程序地址总线。c54x 和 c55x 总线的宽度分别为 16- bit、32- bit。c55x 有三 组数据读总线和两组数据写总线， c54x 有两组数据读总线和一组数据写总线。 每组数据总线都有其相应的地址总线。 c55x 和 c54x 的数据地址总线的宽度分别 为 24- bit 和 16- bit。c54x 使用两个辅助寄存器算术单元，在每个周期内产生一 个或两个数据存储器地址。这四组内部总线和两个地址发生器使其可以进行多操 作数运算。 c54x 是单 17217- bit mac 机器， 有一个 40- bit 的加法器、 两个 40- bit 的 acc 和一个分开的 40- bit 的 alu。与 c55x 相类似，c54x 的 alu 也可以 作成两个 16- bit 的配置，完成两个单周期运算。乘法器输出处的 40- bit 加法器允 许作非流水的 mac 运算，以及并行的两个加法和乘法。单周期归一化和指数编 码支持浮点数运算。都支持一个桶型移位器，将 40- bit 的 acc 的值左移或右移 31bit。该移位器将移位后的值送给 dcu 的 alu，以便作进一步的运算。指令集 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 7 中关于二操作数、三操作数和 32- bit 操作数的指令，支持结构的并行性。八个可 以独立寻址的辅助寄存器和软件堆栈提高了 c 编译器的效率。 都支持片内双访问 ram（daram），可以将其配置为程序存储器或数据存储器。片内锁相环（pll） 允许用户抑制时钟。c55x 可以执行可变长度的指令，这和 c54x 有显著的不同。 c54x 的指令长度为固定的 16- bit，c55x 的指令长度则从 8 到 48 bit。 3）寻址模式和特殊指令 c54x 支持单数据存储器操作数寻址和 32- bit 操作数寻址，还使用并行指令 支持双数据存储器操作数寻址。它也提供立即数寻址、存储器映射寻址、循环寻 址和位倒序寻址。c54x 支持两个任意长度的循环缓冲器。 c54x 有专门功能指令， 如 fir 滤波器、单指令或块指令循环、八个并行指令、乘法累加和减（十个乘法 指令）八个双操作数存储器搬移。 4）开发支持 express dsp 软件技术包括 dsp 集成开发工具：可升级的实时软件基础、 可重复使用的应用软件接口标准、以及不断增加的第三方的软件模块。code composer studio 是一个集成的 dsp 开发工具套件，包括 c5000 的 c 编译器、 dsp/bios、实时数据交换技术等。 2.3 dsp 开发环境简介 针对 dsp 软件开发和仿真调试 ti 公司推出了针对不同核的综合开发平 台，如针对 c5000 核的 ccs5000 等。综合开发系统均支持标准 c 编译、汇编 语言和算术助记语言，另外 dsp_bios 的使用和实时数据交换给我们提供了方便 快捷的开发环境。ti 的 dsp 开发环境和工具主要包括三部分：代码生成工具、 系统集成及调试环境与工具、实时操作系统。 2.3.1 代码生成工具 当选择好一个型号的 dsp，并完成了硬件电路的设计后，便进入 dsp 的软 件开发阶段。可以使用汇编语言或者 c 语言（最新版的 ccs 中带的代码生成工 具可以支持 c+）编写的源程序代码。编写完成后，使用代码生成工具进行编译、 连接，最终形成机器代码。由于 ti 的各个 dsp 系列所使用的汇编指令、机器代 码各不相同，所以应使用相应的代码生成工具。代码生成工具包括：c 优化编译 器、汇编器（assembler）连接器（linker）和归档器（archiver）交叉引用列表器 （cross- reference lister）等。 2.3.2 系统集成及调试环境 ti 公司为 tms320 系统的集成与调试所提供的工具包括： 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 8 1）软件仿真器（simulator） tms320 软件仿真器是一个软件程序，使用主机的处理器和存储器来仿真 tms320 dsp 的微处理器和微计算机模式，从而进行软件开发和非实时的程序验 证。在 pc 机上，典型的仿真速度为每秒几百条指令。 2）dsp 入门套件（dsk） 为初学者设计和生产的 dsk 是一种用以评价 dsp 平台的廉价的开发工 具。在 pc 机的 dos 或 windows 下，使用 dsk 来做 dsp 的实验，进行诸如 控制系统、语音处理等应用；也可以用来编写和运行实时源代码，并对其作评估； 还可以用来调试用户自己的系统。 3）标准评估模块（evm） tms320 的评估模块（evm）是廉价的开发板，用于器件评估、标准程序检 查、以及有限的系统调试。evm 是一个 pc 插件，包括目标处理器、一个小容 量的存储器、和有限的外设。evm 可以用来实时运行代码，并与外部系统接口。 4）tms320 硬件仿真器 emulators（xds510） dsp 开发装置中的仿真器和传统意义上的仿真有着很大的区别， 它的功能是 并行口数据格式向 jtag 接口格式的转换，而传统意义上的仿真器是用它暂时去 取代 cpu。ti 公司在 ieee1149.1 标准的基础上有进行了扩充，通过 jtag 接口 可以实现引脚连通性检验、外围运行检验、访问片内所有资源、在线仿真、程序 下载、厂家测试等。tms320 扩展开发系统 xds（extended development system） 是功能强大的全速仿真器，用作系统级的集成与调试。每个 dsp 器件都提供了边 界扫描仿真接口（jtag），通过 xds510 访问内部的器件寄存器和状态机，实 现对 dsp 状态的监控。即使 dsp 焊接到了目标系统中，这种非插入式的方法仍 然可以工作。xds510 必须配合软件 ccs 才能工作。ccs 是一个非常好的软件开 发工具。使用硬件仿真器时，用户通过一根电缆将 xds510 控制器与目标系统相 连，通过终端（pc 或工作站）软件监视或控制目标系统上 dsp 程序的执行情况。 除 ti 自己提供 xds510 仿真器外，还有很多的国内外厂家提供类似产品，如合 众大、闻亭等。他们都提供多种 pc 接口的仿真器。 5）集成开发环境（ccs）11 ccs 是一种针对 tms320 调试接口的集成开发环境（ide）。ccs2.0 包含 了源代码编辑工具、代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析，并且支持 设计和开发的整个流程(如图 2.2 所示)。ccs2.0 具有下列特性： 1）完全集成的开发环境。ccs2.0 将编辑器、编译器、链接器和调试器等都 集成到一起，用户使用时只要从菜单中进行选择即可，方便了用户的开发。 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 9 2）高度集成的源代码编辑器。这个源代码编辑器可以动态地提示 c 语言和 dsp 汇编源代码，方便了用户的阅读源代码，查找语法错误。 3） 支持支持编译和调试的后台编辑。 用户不用退出系统即可进行对程序的编 译和调试。 4）对 c 语言源文件和 dsp 汇编语言文件的目标管理。 5）图形分析功能。 6）有方便的状态观察窗口。 在 ccs2.0 安装好后，第一次运行之前，需要运行 ccs 设置程序。只有正 确地通过 ccs2.0 设置程序对 ccs2.0 集成开发环境进行了设置，才能建立 ccs2.0 集成开发环境与 dsp 目标系统之间的通信接口。如果用户使用的仿真器 不是 ti 公司提供的，则还需要安装相应的仿真器驱动程序。 设计设计 概念性规划 编程和编译编程和编译 创建工程文件、 编写源程序和配 置文件 调试调试 语法检查、探 测点设置和日 志保存等 分析分析 实时调试、统 计和跟踪 图 2.2 dsp 开发周期 fig 2.2 the cycle of dsp exploring 2.3.3 实时操作系统（rtos） 对于简单的 dsp 任务，用前面介绍的开发工具已能满足开发任务的需要， 往往不需要操作系统就可以进行。但当 dsp 的任务增加和任务的复杂性提高， 例 如对实时性要求很高的多 dsp 并行操作的多任务系统， 可能就需要某种操作系统 来管理系统的资源， 安排多任务的执行和任务间的信息交换、 通讯、 同步。 支持 ti dsp 的商用 rtos 有：ose 实时操作系统、nucleus 实时多任务操作系统、 precise/mqx 实时操作系统等。 2.3.4 软件开发流程 图 2.3 是 ti 的 tms320 系列 dsp 的软件开发流程图， 阴影部分是软件开 发的最常用路径，其它部分是可选的 ccs 提供了基本的代码生成工具，它们具有 一系列的调试、分析能力。 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 10 2.3.5 图像显示及图像数据格式 ccs 允许的数据格式有两种12： 1）coff 格式。二进制的公共目标文件格式，能够高效地存储大批量数据。 可在目标 dsp 上执行的文件。 2）ccs 数据文件格式。此为字符格式文件，文件由文件头和数据两部分构 成。文件头指明文件类型、数据类型、起始地址和长度等信息。其后为数据， 每个数据战一行。数据类型可以为十六进制数、整数、长整数和浮点数。 ccs 数据文件头格式： 文件类型数据类型起始地址数据页号数据长度 解释如下： 文件类型：固定为 1651； 数据类型：取值 14，分别对应为十六进制、整数、长整数、浮点数； 起始地址：十六进制数，指明数据存放的内存缓冲首地址； 图 2.3dsp 软件开发流程 fig 2.3 the flow of dsp software exploring 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 11 数据页号：十六进制数，指明数据取自哪个数据页； 数据长度：十六进制数，指明数据块长度，以 word 为单位。 例如：某 ccs 数据文件的头一行内容为：1651 1 80 1 10000，它表示数据存 放在起始地址为 80h，数据页号为 1，长度为 10000h 的十六进制数。 通过 ccs 提供的图形显示功能可以将数据文件表示的波形、图像等显示出 来。ccs 提供的图形显示包括时频分析、星座图、眼图和图像显示。 各种图形显示所采用的工作原理基本相同，即采用双缓冲区（采集缓冲区和 显示缓冲区）分别存储和显示图形。采集缓冲区存在于实际硬件和仿真目标板。 包含用户需要显示的数据区。显示缓冲区存在于主机内存中，内容为采集缓冲区 的拷贝。用户定义好显示参数后，ccs 从采集缓冲区读取规定长度的数据进行显 示。显示缓冲区尺寸可以和采集缓冲区的不同，如果用户允许左移数据显示 （left- shifted data display）则采样数据从显示区的右端向左端循环显示，这对显 示串行数据特别有效。 ccs 提供的图形显示类型共有 9 种，每种显示所需的设置参数各不相同。如 图 2.4 所示为图像显示参数设置窗口。 图 2.4 图像显示参数设置 fig 2.4 the graph property dialog 2.3.6 szdspf 开发教学平台简介 本设计用到的实验平台是长沙三知电子的 szdspf 开发教学平台，下面就 该实验平台作简要介绍。 重庆大学硕士学位论文2dsp 技术 12 该实验平台包括两个主 cpu 模块：zs5416d 模块和 sz2407e 模块，前 者采用 ti 公司 tms320c5416dsp 芯片作 cpu，并有：4mbit flash、 256k*16bitsram、2500 gate cpld（epm7128aetc100）电平转换芯片等；后者 采用 ti 公司 tms320lf2407dsp 芯片作 cpu， 并有： 256k*16bitsram、 2500 gate cpld（epm7128aetc100）电平转换芯片等。均留有 jtag 插口，用户可以通过 仿真器和 ccs 下载程序和进行实验。 以上两个主模块可以通过5416的hpi接口实现双dsp的高速并行数据交换， 并可通过平台主板上的 cpld（xc95216）来实现；两个 dsp 之间的软切换。 此外，该平台还有图像、语音模块，mp3、以太网模块，键盘显示模块，232 通讯模块，485、can 通讯模块，温度、电机控制模块，信号源模块，pwm 变频 控制模块，二次开发模块等，可以实验、验证程序等。如图 2.5 所示。 图 2.5 szdspf 开发教学平台 fig 2.5 the equipment of sz- dspf 2.4 本章小结 本章主要介绍了 dsp 的一些基本概念， 以 ti 公司的 tms320c5000 为例， 详 细介绍了该系列dsp的性能、 结构等特点， 并介绍了ti提供的dsp开发环境(ccs)， 以及 dsp 的开发流程。 重庆大学硕士学位论文3 小波变换与中子数字图像去噪 13 3小波小波变换与中子数字图像去噪变换与中子数字图像去噪 3.1 小波分析的基本概念 小波13- 20概念的真正出现是在1984年， 法国人morlet仔细研究了gabo:变换， 对傅立叶变换与加窗傅立叶变换的异同、特点以及函数的构造做了创造性的研究 后，开创了以他的名字命名的 morlet 小波。随后，他与 grossmann 共同进行研究， 发展了连续小波变换的几何体系。1985 年，meyer. grossmann 和 daubechies 共同 进行研究，选取连续小波函数，恢复了连续小波函数的全空间。随后，人们试图 寻找一组离散的正交小波基，但没有成功。1986 年，meyer 在证明不可能存在时 频域都具有一定正则性的正交小波基时，却意外地发现了确实存在小波正交系。 后来，lemarie 和 battle 又分别独立地构造了具有指数衰减的小波函数。1987 年， mallat 将计算机视觉领域内的多尺度分析思想引入到小波分析中， 提出多分辨率分 析概念，统一了在此之前的所有具体正交小波基的构造，并且提出相应的分解与 重构快速算法。1988 年，daubechies 在美国 nsficbms 主办的小波专题研讨会上 进行了 10 次讲演，引起了广大专家的重视，由此将小波分析的理论发展与实际应 用推向了一个高潮。 w.sweldens 总结以往的小波研究发现： 1）小波变换在频域上进行，其基本工具是傅立叶变换； 2）经过小波变换后所得的结果为浮点数，无论计算机的精度如何高，也无法 避免计算结果损失，另外，对变换后所得数据进行压缩时，往往要先经过量化一 步，这就进一步引入误差。 于是他在 1994 年提出了一种新的小波构造方案提升格式。 为了与采用傅 立叶变换来构造的传统小波变换相区别，由该方法构造的小波被称作第二代小波 变换。由 sweldens 的提升格式可以很容易的构造出整数到整数的小波变换，这样 就可以避免第一代小波变换结果为浮点数所带来的问题。 3.1.1 连续小波变换 若函数 t满足容许条件： dc 2 )( （3.1） 重庆大学硕士学位论文3 小波变换与中子数字图像去噪 14 则函数 t称为母小波或基本小波，通常简称为小波。容许条件意味着 0在 处的值必须为 0，即 0)( dtt（3.2） 由上式可以看出， t必须很好的时域局部化性质，t时， t速降为 零。也就是说小波是持续时间很短的衰减振荡，它在时间域内是局部的。在频率 域，同样也要求， 速降为零，也就是说小波在频率域内也是局部的。 小波在时间域和频率域都是局部的，这就是小波最重要的特性。 将母小波伸缩和平移后的到的函数族 rbra a bt at ba ,)( 2 1 , （3.3） 称为分析小波。 对任一能量有限信号 rltf 2 )(，其连续小波变换定义为： dt a bt tfafbaw baf *)(,),( 2 1 , （3.4） 其相应的反变换公式为 dbtbaw a da ctf baf, 0 2 2 1 , （3.5） 式（3.3）中，尺度因子 a 将基本小波 t作伸缩处理，a 愈大，则at /愈 宽，而 b 是将 t作平行移动的量； t ba, 前乘因子 2/1 a是保证不同 t ba, 的能 量都相等。 定义小波母函数 t的窗口中心为 0 t 窗口宽度为t，则小波基函数 t ba, 的 窗口中心为batt ba 0, ，窗口宽度为tat ba , ； 的频域窗口中心为 0 ，窗 口宽度为 ba, , 则的频域窗口中心为 0, 1 a ba ，窗口宽度为 a ba 1 , 。 则有 t a tat baba 1 , （3.6） 重庆大学硕士学位论文3 小波变换与中子数字图像去噪 15 从式（3.5）和式（3.6）可以看出，ba,处的连续小波变换采集的是信号在 时间间隔tabattabat 00 ,和频率间隔 00 1 , 1 aa 内的信 息，这两个间隔定义了一个时频窗，窗口的宽度和位置由 a 和 b 决定。由上述 分析可以看出，通过调整伸缩因子 a 和平移因子 b，可以得到不同时频窗口内信 号的信息，从而达到对信号的局部化分析，对于低频信号分析时窗大，时间分辨 率高，对于高频信号分析时窗小，时间分辨率低。因此， tf在小波基上的展开具 有多分辨率的特性，小波的这种性质被誉为“数学显微镜”。 3.1.2 离散小波变换 连续小波变换理论上具有很好的信号分析和处理特性，但是伸缩因子 a 和平 移因子 b 是连续变化的，很难利用计算机计算并实际应用。于是，人们提出了离 散小波变换。 所谓离散小波就是将 t ba, 的参数 a 和 b 离散化，参数 a 和 b 离散为 znjnabaa jj , 00 (3.7) 这时，离散小波可表示为 znjnbtaat j j nj , 00 2 0, (3.8) 特殊地，当1, 2 00 ba且,可以得到如下二进(dyadic)小波 znjntt j j nj ,22 2 , (3.9) 当用离散小波来对连续信号作变换时，结果是系列的小波系数，这些小波系 数是否完全表征了函数 tf的全部信息， 或者说， 能否从函数的离散小波变换系数 重建原函数 tf?已经证实，离散小波变换系数重构信号是可能的。 一个稳定的重构的充要条件是小波变换系数的能量必须在两个正数边界之 内： rltfbatfbttftfa nj nj 2 2 2 , 2 ,0, （3.10） 其中， tftf为 2 的能量。满足上式的离散函数序列znj nj , , 称为边界 为 a 和 b 的“框架”（frame), a、b 称为框架界。 通过选择合适的母小波函数，可以使得离散小波与它伸缩变换后的函数相正 交，即 重庆大学硕士学位论文3 小波变换与中子数字图像去噪 16 zmnkj nkmjnmkj , , （3.11） 这时 t nj, 称为正交小波。如果公式（3.8）中所定义的函数族 nj, 满足上 式，则称 nj, 是 rl2的一个规范正交基。任何一个信号 rltf 2 都可由正交 小波基函数来重构： nj nj tnjctf , , ,（3.12） 其中， nj fnjc , ,为小波系数。可以得到小波系数的两个重要特点是： 1)小波系数njc,的绝大部分接近于零； 2)模较大的系数njc,所对应的窗口位置中心是nt j 2，它表征了信号 tf 在此处的局部高频特性(细节信息)。 3.1.3 多分辨率分析及 mallat 算法 我们知道，满足式（3.1）的函数均可作为小波基函数，小波基函数不是唯一 的， 因而寻找具有优良特性的小波基函数就成为小波理论中的一个重要课题。 1989 年， mallat 创造性地将计算机视觉领域中的多分辨率分析方法引入到小波基的构造 中， 首次统一了以前 stomberg,meyer, lenarie 和 battle 等提出的各种小波的构造方 法，并研究了小波变换的离散形式，他还给出了 mallat 塔式分解和重构算法，从 而为小波理论的工程应用铺平了道路。 首先我们引入 mra 的定义： 定义平方可积空间 rl2中的一系列闭子空间zjvj,称为 rl 2 的一个 多分辨率分析，满足如下条件： 1）一致单调性：zjvv jj , 1 （3.13.a） 2）渐进完全性： zjrlvclosurev j j j j ,0 2 （3.13.b） 3）伸缩不变性： zjvtfvtf jj ,2 1 （3.13.c） 4）平移不变性： zkjvktfvtf j j j ,2（3.13.d） 5）reisz 基存在性： 00 .,vntstv zn 是 的 reisz 基。 多分辨率分析(mra)定义了一个对 rl2逐渐逼近的空间序列 j v，即有 zj jj j rlvv 2 lim。由上述定义可知，每个子空间 j v都对应着一组基 kj, 它 们都是由同一个函数 t经过伸缩和平移构成的，生成公式如下： 重庆大学硕士学位论文3 小波变换与中子数字图像去噪 17 zkjktt j j kj ,22 2 . （3.14） 函数 t称为尺度函数。 因为 10 vvt，而zkkt22是 1 v的基，故存在序列 zlhk 2 满足： k k ktht22（3.15） 其中， zl 2 表示平方可和序列。这个方程称作双尺度方程。