TMS320C6416的拓片圖像處理與優(yōu)化

1、基于TMS320C6416的拓片圖像處理與優(yōu)化作者：洪華峰 楊冠魯轉(zhuǎn)貼自：微計(jì)算機(jī)信息點(diǎn)擊數(shù)： 45更新時(shí)間：2008-12-1【字體： A】 Optimization for rubbings image processing based on TMS320C6416Abstract：This paper introduces the algorithms implementation and optimization of the ancient rubbings processing on TI TMS320C6416 DSK, in view of the Characteristic

2、 of ancient rubbings and the structure of DSP. We mainly discuss how to take advantage of the superior capabilities of DSP in the field of digital image processing, and propose a feasible technology of ancient rubbings processing. So it is an atempt to link DSP and ancient rubbings processing togeth

3、er. Keywords：TMS320C6416，rubbings，digital image processing，optimization摘要： 該文針對(duì)考古拓片的特點(diǎn)和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的結(jié)構(gòu)，將拓片圖像的處理在TI公司 的 TMS320C6416 DSK上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，著重闡述如何利用DSP優(yōu)越的數(shù)字信號(hào)處理能力來(lái)對(duì)考古拓片進(jìn)行完好的重現(xiàn)，提出一種可行的拓片圖像處理方法，是將考古拓片處理和DSP兩個(gè)領(lǐng)域相結(jié)合的一種試。關(guān)鍵詞 TMS320C6416；拓片；圖像處理；優(yōu)化1 引言當(dāng)今，在考古學(xué)這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，拓印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到很成熟的階段。拓片的內(nèi)容載體不僅包括了拓片本身，還包括原

4、刻和數(shù)字圖像。其中，拓片作為原刻的復(fù)制品能夠?qū)⒃躺系膬?nèi)容較好的保留下來(lái)，并通過(guò)照片等數(shù)字圖像保存下來(lái)，而數(shù)字圖像處理便是通過(guò)拓片圖像的恢復(fù)來(lái)還原原刻上的內(nèi)容，使其具有它應(yīng)有使用價(jià)值、觀賞價(jià)值、考古價(jià)值。在數(shù)字圖像處理這個(gè)領(lǐng)域，DSP以其適應(yīng)高速的數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大提高了圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。TMS320C6416 DSP是TI公司推出的最新的DSP系列，以其優(yōu)越的性能在圖像處理領(lǐng)域充分得到發(fā)揮。本文主要介紹拓片的圖像處理在TI的TMS320C6416 DSK上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。2 拓片圖像特點(diǎn)拓片是將宣紙貼在器物表面用墨拓印來(lái)記錄花紋和文字。拓片與其他圖像相比,有其自身鮮明的特

5、點(diǎn)：大部分拓片色彩比較單一，基本上是灰度圖像；圖像與背景的色彩分界總體明顯，各自處在一定的灰度范圍內(nèi)；由于存放時(shí)間比較長(zhǎng)久或本身拓印技術(shù)，圖像質(zhì)量不高，出現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)丟失、背景有斑點(diǎn)或片狀的干擾以及背景與圖像本身融合在一起等問(wèn)題。這將嚴(yán)重影響其收藏價(jià)值和考古價(jià)值。同時(shí)在處理方法上，由于各類(lèi)拓片圖像無(wú)規(guī)律可尋，圖像、背景和噪聲種類(lèi)各一，目前還沒(méi)有一種固化的方法處理。因此，如何能準(zhǔn)確、快速的恢復(fù)出各類(lèi)拓片圖像將成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。3 基于TMS3206416 DSK簡(jiǎn)介本文我們采用的DSP芯片TMS320C6416是TI公司推出的以其C64x內(nèi)核的先進(jìn)超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)的新型的DSP芯片。它

6、是TI公司的TMS320C6000系列之一，其主頻為600M，由于在體系結(jié)構(gòu)上采用的VLIW結(jié)構(gòu)，可以每個(gè)周期執(zhí)行8條32位bit指令，實(shí)現(xiàn)極高的指令級(jí)并行效率，運(yùn)算速度高達(dá)4800MIPS，具有PCI接口和協(xié)處理器，片內(nèi)RAM高達(dá)8.256Mbit。其匯編語(yǔ)言級(jí)C編譯器的效率可達(dá)70%80%。與C62x/C67x不同，其所有的8個(gè)功能單元均可以通過(guò)交叉路徑訪問(wèn)另一組寄存器文件，進(jìn)一步提升了DSP的性能。因此廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中圖像領(lǐng)域更是得到了充分的發(fā)揮。TMS3206416 DSK是一款低功耗的獨(dú)立的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它使用戶(hù)能利用TI 的64系列的DSP家族來(lái)開(kāi)發(fā)評(píng)估自己的應(yīng)用程序。該DS

7、K擁有豐富的板上資源，適合各類(lèi)應(yīng)用環(huán)境，關(guān)鍵特征包括：主頻為600M的TMS3206416l DSP一個(gè)AIC23編解碼器，允許DSP能夠傳遞接收模擬信號(hào)l16M的SDRAM；512K的非易失性FLASHl一塊可編程的CPLD，可通過(guò)其上的寄存器對(duì)板進(jìn)行配置l用于子板擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展槽l64位寬度的EMIFA和8位寬度的EMIFB兩條總線(xiàn)，用于DSP與板上器件接口lUSB主機(jī)接口的JTAG調(diào)試l 具體的開(kāi)發(fā)環(huán)境是：支持TMS320C6400系列的CCS2.2及以上版本。4 實(shí)現(xiàn)過(guò)程與優(yōu)化針對(duì)拓片本身的特點(diǎn)，我們利用DSP提出一種有效快速的解決方案，并且采用CCS這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)交互式操作，最大程

8、度的達(dá)到處理的效果呈現(xiàn)。我們的主要工作分為處理方案的實(shí)現(xiàn)和在移植到DSP上的優(yōu)化。41 拓片處理過(guò)程我們對(duì)圖1的拓片圖像進(jìn)行了分析，拓片中圖像的顏色較深，背景（底紋）的顏色比圖像的顏色淺些，但圖像的邊緣與背景在許多地方較模糊，有的地方甚至無(wú)法區(qū)分，而且圖像也不太清晰。這也是多數(shù)拓片的特點(diǎn)。因此在處理過(guò)程中我們提出了局部銳化的概念。我們首先對(duì)圖像進(jìn)行直方圖的處理，分析圖像的灰度分布；然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換和濾波等預(yù)處理，將背景和圖像大致分離，接著根據(jù)模糊細(xì)節(jié)的位置，對(duì)其進(jìn)行局部銳化增強(qiáng)（采用unsharp算子與拉普拉斯算子），還原出原有細(xì)節(jié)，并根據(jù)模糊程度進(jìn)行增強(qiáng)次數(shù)的增減；局部處理完畢后，選擇

9、濾波器進(jìn)行圖像的二次濾波，這時(shí)拓片圖像已基本成型，但背景還可能存在一些孤立噪聲點(diǎn)，利用局部填充技術(shù)去除噪聲點(diǎn)；最后通過(guò)增強(qiáng)對(duì)比度處理還原出拓片的原有面貌。對(duì)于文字拓片，考慮到文字識(shí)別處理的效率，還對(duì)其進(jìn)行邊緣的提取處理。42 在TMS3206416 DSP的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化我們將處理方法在TMS3206416 DSP上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)移植優(yōu)化評(píng)估過(guò)程中，我們經(jīng)歷了從無(wú)到有，不斷改進(jìn)的過(guò)程，主要分為算法級(jí)優(yōu)化、DSP級(jí)優(yōu)化和指令級(jí)優(yōu)化。4.2.1 算法優(yōu)化針對(duì)我們處理方法的特點(diǎn)，在移植過(guò)程中，我們考慮以下幾點(diǎn)，以最大化我們的處理效率和適用性。由于我們采用的拓片圖像是8位的BMP圖像文件格式，因此在讀

10、取圖像時(shí)為了適應(yīng)不同的圖像處理，在圖像讀取時(shí)作了圖像格式的判斷，如果不是8位BMP圖像，就進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于BMP圖像的數(shù)據(jù)是從下到上，從左到右進(jìn)行讀取，所以在移植初一直不能顯示圖像，后來(lái)通過(guò)CCS上單步調(diào)試，查看MEMORY的數(shù)據(jù)才得到解決。l在灰度切換的算法中，算法要根據(jù)不同圖像的灰度范圍來(lái)改變數(shù)值，但設(shè)計(jì)初要進(jìn)入程序中進(jìn)行改寫(xiě)，比較麻煩且不利于系統(tǒng)整合。所以后來(lái)我們加入了一段自動(dòng)輸入數(shù)值的程序來(lái)簡(jiǎn)化算法。同時(shí)，在編寫(xiě)的邊緣檢測(cè)算法中，大多數(shù)都是采用掩模進(jìn)行檢測(cè)，這在DSP上就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，由于掩模是一個(gè)m*m的窗口，所以在圖像的最外圍一行一列的像素?zé)o法檢測(cè)，因此我們便在這個(gè)細(xì)

11、節(jié)上做了改動(dòng)，將每次處理后的像素值在以循環(huán)方式傳遞給邊界的像素，以求最大程度的不失真。l在局部算子中加入技巧進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。例如在對(duì)中值濾波器編程中，3*3的掩模以往需要對(duì)九個(gè)象素進(jìn)行排序，在得到中間值，而我們?cè)诰幊讨校捎眯信判?，取每行最大再進(jìn)行列排序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在速度上可以大大加強(qiáng)。l4.2.2 DSP級(jí)優(yōu)化在這個(gè)層次上的優(yōu)化，關(guān)鍵是根據(jù)DSP本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)規(guī)范，以及編譯器的特點(diǎn)，充分利用DSP優(yōu)勢(shì)，將我們的算法效率提升到最優(yōu)。DSP中文件存儲(chǔ)的方式。在TI公司的DSP說(shuō)明書(shū)上-heapl SIZE 這條編譯器選項(xiàng)，它用來(lái)設(shè)置堆的大小。C中堆的作用用來(lái)定義存儲(chǔ)器的大小，而圖像的處理是先將

12、數(shù)據(jù)全部放入這個(gè)堆中緩存，而不是一個(gè)像素一個(gè)像素處理的，因此后來(lái)我們?cè)?cmd文件中加入了-heap 0Xb0000 ,分配足夠的緩存堆給圖像使用。DSP中的C的數(shù)據(jù)格式不同。CCS中的C對(duì)整型變量的定義與TC不盡相同。其中，TC規(guī)定int型數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16bit，而CCS規(guī)定int型長(zhǎng)度為32bit；TC規(guī)定long型數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32bit，而CCS規(guī)定long型長(zhǎng)度則為40bit。與此同時(shí)，CCS不支持對(duì)數(shù)組變量的引用或使用。因此CCS對(duì)于BMP圖像文件的表頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義與TC的定義不同，必須把TC的int型改為CCS中的short型，把TC中的long型改為CCS型的int型。l編譯器選項(xiàng)

13、。TMS320C6000編譯器提供了對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持，它可以將C代碼轉(zhuǎn)換成效率更高的匯編語(yǔ)言源代碼。而C編譯器內(nèi)的優(yōu)化選項(xiàng)是TI的一個(gè)創(chuàng)新，它對(duì)程序循環(huán)的流水處理使得C代碼的效率得到很大提高。在優(yōu)化中，用到了以下幾種選項(xiàng)：-mv6400：使代碼利用DSP的附加硬件和指令執(zhí)行任務(wù)；-g：對(duì)整個(gè)程序代碼進(jìn)行剖析；-pm：是語(yǔ)法分析器在啟動(dòng)優(yōu)化器和代碼產(chǎn)生器之前，把所有的C文件合成一個(gè)文件來(lái)處理，這樣做，可以對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行優(yōu)化，使優(yōu)化效率更高。-ox：文件級(jí)優(yōu)化選項(xiàng)，與-pm合用，可以進(jìn)行程序級(jí)優(yōu)化。Xl 選3。-mt：能使編譯器假設(shè)沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)混淆，可進(jìn)一步優(yōu)化代碼；-mh：允許投機(jī)執(zhí)行。存儲(chǔ)器分

14、配。由于DSP的程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，所以必須合理安排我們的程序數(shù)據(jù)存放方式。我們采用以下的分配方式：將程序中反復(fù)使用的代碼段（如濾波、直方圖分析等）放在片內(nèi)高速的程序存儲(chǔ)區(qū)，而頻繁用到的數(shù)據(jù)段（如BMP頭文件）放在片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。而把占用空間較大的圖片數(shù)據(jù)存放在外部的存儲(chǔ)器上，以求處理速度的最優(yōu)。l4.2.3 指令優(yōu)化要提高我們C代碼的性能，就要從程序自身下手，分析和修改C程序，能最有效的提高速度。經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試和修改，我們做了一些優(yōu)化：循環(huán)是我們的程序中使用最多的語(yǔ)句，而恰恰是循環(huán)最為消耗運(yùn)行時(shí)間。因此，我們優(yōu)化的關(guān)鍵就是循環(huán)的處理。首先，我們將能夠拆開(kāi)的循環(huán)都拆開(kāi)，盡量減少循環(huán)的次數(shù)。

15、其次，在循環(huán)中盡量少的調(diào)用函數(shù)，以減少因?yàn)檎{(diào)用函數(shù)而消耗的時(shí)間和占用的緩沖空間。第三，將一些變量的賦值和常量的計(jì)算放到循環(huán)外面，對(duì)于一些頻繁用到的循環(huán)變量改用寄存器變量。第四，程序采用一些巧妙的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，以讓迭代次數(shù)減少。l在設(shè)計(jì)中，我們將原先的數(shù)組變量全部改為了指針變量，以減少尋址的時(shí)間。l將變量盡可能的設(shè)為全局變量。對(duì)循環(huán)計(jì)數(shù)器采用int或unsignedl int類(lèi)型，避免不必要的符號(hào)擴(kuò)展。43 性能分析與實(shí)現(xiàn)效果我們對(duì)處理方法在移植優(yōu)化前后的時(shí)間效率利用CCS中的profile工具進(jìn)行了代碼剖析，以下是幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)和處理方法的時(shí)間統(tǒng)計(jì)。由上表可見(jiàn)：同一個(gè)程序在優(yōu)化前后，剖析代碼執(zhí)行一

16、遍的平均時(shí)間周期有了大幅度的減少，效率提高了10100倍。以上是經(jīng)過(guò)DSP處理出來(lái)的拓片，顯然，處理后的圖像與原圖像相比，基本上保持了原有圖像的完整性和立體感，實(shí)現(xiàn)了圖像與噪聲的分離，并恢復(fù)了丟失的細(xì)節(jié)，得到了清晰的復(fù)原圖像。5 結(jié)論本文主要討論了拓片圖像處理在TMS3206416 DSK上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化。對(duì)拓片處理在DSP上的實(shí)現(xiàn)做了探索性的工作，并利用DSP本身特有的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的處理能力將算法進(jìn)行了優(yōu)化，效果明顯。拓片的恢復(fù)本身就具有深遠(yuǎn)的意義，它對(duì)于人類(lèi)了解古代的文明有直接的幫助，將拓片處理利用專(zhuān)門(mén)的DSP實(shí)現(xiàn)，不僅使其具有高速，準(zhǔn)確的特點(diǎn)，更能利用DSP進(jìn)行后期產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)考古領(lǐng)域的

17、科技化。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1 在拓片圖像恢復(fù)方法上提出了自己的處理算法，效果明顯。 2 將拓片圖像處理技術(shù)在DSP上實(shí)現(xiàn)，將兩個(gè)領(lǐng)域較好的結(jié)合起來(lái)。3 針對(duì)DSP的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和拓片自身的特點(diǎn)，在算法移植上做了優(yōu)化，大大加快了處理速度，且效果好。4 本文的提出是考古和高科技結(jié)合的一次嘗試，將對(duì)后期專(zhuān)用考古電子設(shè)備開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1 包振華，吳國(guó)平.拓片、考古圖片等的圖像的復(fù)原J.中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003,22:106-108.2 Kevin Jones. TMS320C6416 Hardware Designers Resource GuideM. TI Application Report,2005.3 TMS320C6000 Optimizing Compiler Users GuideM.2004.4 于淼，鄭紅.基于DSP的人臉圖像識(shí)別系統(tǒng)J.微計(jì)算機(jī)信息.2003,19-1:54-55.5 Rafael C. Gonzalez .數(shù)字圖像處理（第二版