DSP圖像采集處理專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計實例

1、DSP 圖像采集處理專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計實例DSP圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計實例本章將介紹基于 TI C6000 系列 DSP芯片的圖像采集處理系統(tǒng)實例。第一節(jié)介紹圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用。第二節(jié)介紹圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，著重分析如何平衡需求和成本的設(shè)計方法。第三節(jié)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計，分析 DSP和圖像采集芯片的接口、電氣知識等，給出了設(shè)計方案。最后介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要介紹本系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案，同時也重點介紹TI 的圖像庫。1 圖像采集處理系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)是計算機圖形深入應(yīng)用和高層應(yīng)用的一個極其廣泛的領(lǐng)域，它把來自照相機、攝像機或者傳真掃描裝置、醫(yī)用 CT機、 x 光機等的圖像，經(jīng)過數(shù)學變換后得到

2、數(shù)字圖像信息，再由計算機進行編碼、濾波、增強、復原、壓縮、存儲等處理，最后產(chǎn)生可視圖像，這種技術(shù)稱為圖像處理(ImageProcessing) 。圖像處理技術(shù)在通信科學、生產(chǎn)與管理、多媒體技術(shù)、高清晰度電視、醫(yī)用圖像處理、商品電子化、目標跟蹤等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信事業(yè)上，傳統(tǒng)的圖像信息傳輸是以模擬圖像信號形式出現(xiàn)的。為了提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度，近來數(shù)字圖像信號處理與傳輸技術(shù)正在迅猛發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號處理與傳輸技術(shù)。目前，“信息高速公路”成了發(fā)達國家的熱門課題，其中數(shù)字圖像處理技術(shù)則成為它的極其重要的部分。而且，數(shù)字圖像處理技術(shù)還與當前乃至21 世紀的一些關(guān)鍵電子技術(shù)及電子

3、產(chǎn)品密切相關(guān)。目前數(shù)字圖像處理技術(shù)幾個引人矚目的高科技領(lǐng)域包括：1 高清晰度電視 (HDTV)高清晰度電視是當今國際高科技競爭的制高點之一，占領(lǐng)這個制高點者，必將擁有巨大的經(jīng)濟效益。目前主要有兩種發(fā)展模式：一是日本、西歐等國家在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行改良；二是美國推出的全數(shù)字 HDTV，1992 年美國推出了 4 種全數(shù)字 HDTV，它們的關(guān)鍵技術(shù)是在視頻圖像信號處理上采用最先進的信源圖像壓縮編碼技術(shù)。然而，其價格上分昂貴，難以真正商品化。這種狀況的豐要原因是壓縮編碼方法的效率不高。2商業(yè)電子化20 世紀 90 年代，由于美國商品零售業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的零售連鎖集團，它憑借現(xiàn)代化的計算機管理信息系

4、統(tǒng)所帶來的零庫存、低成本和低售價，迅速占領(lǐng)了市場，成為美國商品零售業(yè)的首批巨人?！斑@種商業(yè)電子化”大市場吸引著越來越多的創(chuàng)業(yè)者、高科技公司，以致一些世界性大公司紛紛涉足于這一領(lǐng)域。商業(yè)零售業(yè)作為市場流通的樞紐與各行各業(yè)密切相關(guān)，它使得商業(yè)電子化成為一項復雜的系統(tǒng)工程，它不僅僅使商場收款機電子化，而且它還使商場網(wǎng)絡(luò)化、貨幣支付電子化甚至訂貨電子化等。在商業(yè)電子化過程中，商品信息的處理、存儲與傳輸是十分重要的環(huán)節(jié)。3可視電話目前，國內(nèi)外已有成型的產(chǎn)品，然而，它仍需占用較多通信線路，而且自身造價昂貴，其主要原因是圖像壓縮技術(shù)的壓縮倍數(shù)尚不能滿足要求，因此要使可視電話真正商品化，必須在圖像壓縮技術(shù)方面

5、有新的突破才能實現(xiàn)。4多媒體技術(shù)多媒體是指文 (text) 、圖 (image) 、聲 (audio) 、像 (video) 與計算機程序融合在一起形成的信息存儲和傳播媒體。它是近期發(fā)展起來的新技術(shù)，我們過去熟悉的聲、圖、像等媒體幾乎是以模擬信號進行存儲和傳輸?shù)?，而多媒體卻是以數(shù)字信號的形式進行存儲和傳播的。目前多媒體的開發(fā)和應(yīng)用趨勢，大致可分為三類：一是具有編輯和播放和雙重功能的開發(fā)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適合于專業(yè)人員制作多媒體軟件產(chǎn)品；二是主要以具備交互播放功能為主的教育培訓系統(tǒng)；三是主要用于家庭娛樂和學習的家用多媒體系統(tǒng)?？梢?，多媒體的潛力和應(yīng)用前景是非常廣闊的。在多媒體技術(shù)中，數(shù)字圖像處理技術(shù)

6、起著關(guān)鍵性的作用。5醫(yī)用圖像處理技術(shù)以“圖像重選”技術(shù)為中心的醫(yī)用圖像處理技術(shù)日趨發(fā)展。目前，以醫(yī)用超聲成像、 x 光造影像、 X 光斷影成像、 CT掃描、核磁共振斷層成像技術(shù)等為基礎(chǔ)的醫(yī)用圖像處理技術(shù)，將為醫(yī)學界實現(xiàn)“將人體變?yōu)橥该黧w”的設(shè)想成為現(xiàn)實，其中，數(shù)字圖像壓縮處理技術(shù)是關(guān)鍵部分。圖像采集處理系統(tǒng)主要包括圖像采集和圖像處理兩大部分。一般圖像處理都是采用通用的或?qū)Ｓ玫?DSP芯片， TI 和 ADI 公司是提供通用的 DSP芯片的兩個主要公司，每一個公司都推出了浮點和定點通用 DSP芯片，不僅如此，還針對不同應(yīng)用場合，推出了眾多系列的 DSP芯片。比如 TI 公司推出了適合音頻和視頻處

7、理的 C5000和 C6000系列的 DSP芯片，另外，還根據(jù)各種終端設(shè)備的特點，推出了 TMS320DSC21、TMS320DSC25、 TMS320DM310和 TMS320DM64等 DSP芯片。TI 解決方案可以幫助許多消費類商品，例如攝錄像機、電子書、 MPEG-4播放機錄制機、相片打印機、便攜式網(wǎng)上視頻家電、影片光盤柜、聯(lián)網(wǎng)機和無線相機。以 TI 的 DSP芯片為基礎(chǔ)的數(shù)碼相機系統(tǒng)方框圖如圖8-1 所示。2 圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用在很多場合，尤其在生物識別領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛，木節(jié)主要就是以 Tl DSP 芯片構(gòu)建的生物識別系統(tǒng)為例，詳細介紹該類圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

8、和特點。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作流程一個基本的生物識別系統(tǒng)如圖8-2 所示，它必須包含幾個基本部件：1信號采集部分它主要是將生物特征信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給系統(tǒng)。它可能是圖像信號，如虹膜圖像、掌紋圖像、指紋圖像，也可能是采樣信號，如采樣人的語音。但在大多數(shù)生物識別系統(tǒng)中信號采集部分轉(zhuǎn)化出來都是圖像信號。本章介紹的也是基于圖像信號采集的識別系統(tǒng)。2處理部分處理部分通常是一個高性能的CPU。它是整個生物識別系統(tǒng)的核心。它不僅儀要完成對數(shù)據(jù)的運算、處理和存儲，還要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，特別是 I O 部分的控制，以達到系統(tǒng)整體的要求。3RAM部分生物識別系統(tǒng)中一般都有 RAM部分，主要基于兩個出發(fā)點：首先，

9、生物識別系統(tǒng)中速度是一個重要指標。程序在 RAM里面運行比在存儲器里運行速度要快得多。其次，生物識別系統(tǒng)中采集的圖像往往比較大，而且算法所要求的 RAM空間也比較大。而 CPU內(nèi)部的 RAM往往不能達到這個要求。4存儲部分存儲部分主要存儲兩個部分的內(nèi)容：一是系統(tǒng)的程序；二是生物特征模板。存儲空間的大小也主要取決于這兩個部分的要求。特別是生物特征模板的大小，如果系統(tǒng)要求存儲的人員越多，存儲空間要求也就越大。5I O輸入輸出接口部分I O部分主要是完成系統(tǒng)功能要求。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)/O 的要求也不一樣。在考勤領(lǐng)域，就要求I O具有液晶顯示的功能。6通信接口部分在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，就要求生物識別系統(tǒng)

10、具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能；在門禁應(yīng)用領(lǐng)域，就要求系統(tǒng)具有串行通信 (RS485、RS232)的功能。7電源部分脫機系統(tǒng)由于它應(yīng)用場合的限制，大多對電源有嚴格的限制，主要是要求節(jié)電。而生物識別系統(tǒng)基本上都是使用高性能的 CPU，而它們對電源系統(tǒng)也有嚴格的要求，主要是要求電源穩(wěn)定、干擾小。生物識別系統(tǒng)的工作流程基本上可以分成兩個部分：(1) 生物特征的采集和存儲。用戶通過 I O通知系統(tǒng)開始生物特征的采集和存儲，處理器則通過采集器采集生物特征信號，再通過算法處理看是否能夠轉(zhuǎn)換成特征模板存儲在存儲空間內(nèi)。在很多情況下，為了保證特征模板的質(zhì)量，處理器會采集好幾次生物特征信號來生成特征模板。 工作完成后， 處

11、理器會通過 I O通知用戶。(2) 身份識別。但用戶需要身份識別的時候，則通過 I O通知處理器。處理器首先通過采集器采集用戶的特征信號，然后用識別算法轉(zhuǎn)化成特征值，再與存儲器里面的特征模板比對。如果相似度大于一定的值，則認為是身份識別正確，否則，身份識別錯誤。通常圖像采集處理系統(tǒng)有以下幾個重要的技術(shù)指標：1 圖像采集時間通常圖像采集有AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸兩個部分，圖像采集時間包括A D轉(zhuǎn)換時間和數(shù)據(jù)傳輸時間。為了提高圖像采集時間，采用高速 A D轉(zhuǎn)換芯片和高速串行接口。 TI 和 ADI 公司都提供了高速的 AD轉(zhuǎn)換芯片， 此類芯片大多提供并口和 SPI 之類的數(shù)據(jù)傳輸接口。2圖像處理時間圖像處理時間是指系統(tǒng)從采集完一個完整圖像到運算處理完圖像所經(jīng)過的一段時間。在流媒體的圖像采集處理系統(tǒng)中對每幀圖像的處理速度直接影響到系統(tǒng)性能，所以在此類產(chǎn)品中通常采用高性能的微處理器。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識別系統(tǒng)為例，對一幅完整的圖像處理時間 ( 通常是圖像特征值處理和比對時間之和 ) 有十分嚴格的要求。3 存儲容量有些圖像采集處理系統(tǒng)需要存儲一定的圖像數(shù)據(jù)，如數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機等。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識別系統(tǒng)為例，能夠存儲大量生物體樣本特征值是個重要的指標。4RAM空間圖像采集處理器的特點是數(shù)據(jù)量大，占用的數(shù)據(jù)空間達到幾兆。在所有圖像采集處理系統(tǒng)中，