實時圖像處理硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王 強，孫 祝，孫 彥

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

實時圖像處理硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王 強，孫 祝，孫 彥

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

實時圖像的數(shù)字化處理技術(shù)的出現(xiàn)，大大地拓展了圖像處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣度和深度。實時圖像數(shù)字化處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，探討實時圖像處理硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，具有很高的研究和實用價值。本文針對實時圖像處理系統(tǒng)平臺中的硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，進行了解、分析，基于目前所有平臺現(xiàn)狀，提出一種優(yōu)化的實時圖像處理系統(tǒng)平臺。

實時圖像處理硬件平臺；設(shè)計；實現(xiàn)

信息數(shù)字化時代，隨著信息處理學(xué)科的飛速進步，圖像處理技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用普及都取得了長足的進步。圖像處理技術(shù)正被越來越多的運用到產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域，大大提高了生產(chǎn)效率。同時，人們對圖像信息處理能力的要求也越來越多樣化，這就要求圖像數(shù)字處理技術(shù)實現(xiàn)途徑也必須越來越多樣化。實時圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，是有效滿足實時圖像處理需求的圖像數(shù)字化處理技術(shù)，對實時圖像系統(tǒng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)的研究意義重大。

1 實時圖像處理硬件平臺的意義

圖像處理是指為達到所需圖像結(jié)果而利用計算機對圖像進行分析處理的技術(shù)，也稱影像處理。實時圖像處理，就是對圖像信息進行快速處理的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。實時圖像處理有多種實現(xiàn)方式，如軟件實現(xiàn)、單片機實現(xiàn)、DSP芯片實現(xiàn)等。實時圖像處理要求必須具有足夠的傳輸速度，器件選擇上普遍采用傳輸速率非常高的EPGA。實時圖像處理包括實時圖像數(shù)字化、圖像增強和復(fù)原、圖像數(shù)字編碼、圖像分割、圖像識別和圖像理解等。實時圖像處理廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、遙感、工業(yè)檢測和監(jiān)視、軍事偵察等領(lǐng)域，作用重大，意義非凡。圖像處理系統(tǒng)包括圖像處理硬件和圖像處理軟件。在硬件平臺的圖像處理特點是信息量龐大，因此實時圖像處理系統(tǒng)必須配置快速處理硬件（DSP）。上世紀(jì)80年代后出現(xiàn)圖像處理工作站。對于點處理，采用快速硬件流水線處理器，它由視頻運算器（ALU）和查找表（LUT）組成，用于實時進行圖像間加、減、乘、除、邏輯運算和灰度變換。對于鄰域處理，應(yīng)用快速實時小核卷積器，它由乘法器、累加器、移位寄存器和查找表等組成，用于實時卷積濾波、去噪聲、增強、平滑和邊緣提取等。對于大域處理，可用快速陣列機，它配有數(shù)字信號處理器等，用于快速傅里葉變換、各種矩陣運算和矢量運算。實時圖像處理系統(tǒng)的運行工作需要硬件平臺和軟件平臺的協(xié)調(diào)合作完成，硬件平臺配置的高低，是實時圖像處理系統(tǒng)平臺實時圖像處理能力的根本。下面簡單介紹實時圖像處理所在的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1 航空領(lǐng)域的應(yīng)用

實時圖像處理可以通過遙感飛機和衛(wèi)星拍攝照片，用高性能計算機進行實時的圖像處理，可獲得大量的人工沒辦法發(fā)現(xiàn)的情報，節(jié)省了人力物力的投入，同時加快了信息獲得速度，對航天領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。

1.2 通信工程領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展推廣，實時圖像通信的關(guān)鍵技術(shù)得以解決，推動了實時圖像處理在通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，當(dāng)今社會的多媒體通信，意味著圖像數(shù)字處理技術(shù)在通信工程領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置。

1.3 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭被認為更多的是信息化戰(zhàn)爭，其中實時圖像信息處理技術(shù)至關(guān)重要。軍事偵察、目標(biāo)跟蹤、地形識別、精確打擊等軍事手段的實時圖像處理技術(shù)，起著決定性的作用。

1.4 生物學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

實時圖像處理技術(shù)大量運用于生物學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用，圖像處理技術(shù)在生物學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展呈專業(yè)化，實時圖像處理技術(shù)有力地推進生物科學(xué)的發(fā)展進步。

1.5 工業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

實時圖像處理技術(shù)在工業(yè)工程領(lǐng)域的運用，主要在工業(yè)產(chǎn)品中的無損探傷，外觀識別檢查，照片應(yīng)力、阻力、分力分析等。實時圖像處理技術(shù)有效地提高工業(yè)工程生產(chǎn)效率。

通過以上的簡單了解，可以看出，實時圖像處理技術(shù)在當(dāng)今社會的發(fā)展中應(yīng)用廣、層次深，對整個社會經(jīng)濟發(fā)展有著舉足輕重的作用。隨著科技技術(shù)的不斷快速發(fā)展，實時圖像處理系統(tǒng)平臺有著巨大的潛能等待挖掘，必將在未來發(fā)揮更加重要的作用。因此，加大實時圖像處理系統(tǒng)平臺的研究設(shè)計和實現(xiàn)，有著重大的意義。

2 實時圖像處理硬件平臺的設(shè)計

2.1 器件選擇

2.1.1 DSP選擇

DSP是圖像處理系統(tǒng)平臺的核心器件，DSP芯片的性能直接影響系統(tǒng)平臺的的運算能力速度。所以，實時圖像處理系統(tǒng)平臺的DSP器件選擇是重中之重。同時，實時圖像處理平臺強調(diào)系統(tǒng)平臺的實時性，所以，實時圖像處理更加注重在選擇系統(tǒng)平臺的器件時，必須采用具有高速的數(shù)字信號處理能力的器件，最佳的器件結(jié)構(gòu)和高速算法。通過實踐經(jīng)驗和不斷試驗表面，采用高性能的 DSP芯片TMS320C6416和帶有DSP單元的高速FPGA來構(gòu)成系統(tǒng)平臺器件整體，是具有高效性能保證的器件配置。TMS320C6416是TI公司推出的高性能定點DSP，具備1 000MHz時鐘頻率及4 800MI/s最高處理能力[1]。其內(nèi)核有8個運算功能單元，具有VITERBI譯碼處理器和turbo譯碼協(xié)處理器等。該DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進，提高了并行處理能力，豐富了外設(shè)資源。DSP內(nèi)部集成PCI2.2控制器，不再采用外部的PCI控制芯片，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)組成。不僅節(jié)約成本，同時還簡化了系統(tǒng)平臺的調(diào)試工作難度。

2.1.2 協(xié)處理器件選擇

在選擇了主數(shù)字處理器之后，因為實時圖像處理系統(tǒng)信息的龐大性，只有一個DSP主處理器顯然是難以滿足實時圖像處理要求的。在圖像處理器之外再選擇加上協(xié)處理器，能夠有效的提高實時圖像處理硬件系統(tǒng)的圖像處理能力[2]。XILINX公司的XC4VLX80芯片具有 80XtremeDSP Slices單元和200個 18 Kbit塊內(nèi)存資源，非常符合實現(xiàn)高速DSP算法，是目前作為協(xié)處理器的最佳選擇。XC4VLX80可以通過并行處理的方式處理大量耗時的累乘加運算，實現(xiàn)復(fù)雜的時鐘管理，支持多形式的I/0接口，方便進行各種數(shù)據(jù)交換和各種配置管理。通過反復(fù)的實驗和實踐證明，XC4VLX80具備很好的承擔(dān)協(xié)處理器任務(wù)的能力，選擇XC4VLX80作為協(xié)處理器是科學(xué)有效的實時圖像處理硬件平臺器件選擇行為。

2.2 硬件平臺的器件連接

2.2.1 DSP芯片與FPGA的連接

通過控制EMIP接口其他接口信號實現(xiàn)DSP與FPGA的I/O連接。將FPGA內(nèi)存儲器映射到DSP地址空間，實現(xiàn)DSP對FPGA的片外存儲器的直接高速數(shù)據(jù)傳輸交換，同時將DSP外部信號定時器信號接入EPGA，實現(xiàn)FPGA與DSP通信的靈活控制。

2.2.2 片外存儲器與FPGA及DSP的連接

設(shè)計DSP和FPGA子系統(tǒng)共享外部存儲器，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸速度和壓縮電路板空間。將DSP信號通過FPGA接入外部存儲器，采用兩個Mi-CRON公司的MT48LC32M16A2 SDRAM和一個CY-press公司的CY7C1350F SBSRAM，采用設(shè)計狀態(tài)機對FPGA進行操作，對DSP則分別將存儲器的各類信號通過FPGA的I/O接口，和DSP的EMIF接口信號相連，實現(xiàn)透明連接。

2.2.3 PCI硬件接口

實現(xiàn)PCI接口的主機直接互聯(lián)，可以直接采用TMS320C6416內(nèi)部集成33MHz/32bit、支持PCI主從模式接口的PCI2.2接口控制器，不需額外的PCI控制芯片。圖像處理器通過內(nèi)部的EDMA實現(xiàn)PCI接口與DSP接口的集成。

3 實時圖像處理硬件平臺的實現(xiàn)

圖1 圖像處理系統(tǒng)平臺的結(jié)構(gòu)圖

圖像處理系統(tǒng)平臺正常發(fā)揮功效，需要在硬件平臺設(shè)計完成之后，實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的圖像處理功能。這就不僅包含硬件平臺器件問題，還牽涉到PCI軟件的開發(fā)運用工作。

3.1 信號同步發(fā)生器

紅外攝像頭光電轉(zhuǎn)換以后，將圖像轉(zhuǎn)變成電信號，通過傳輸形成可視圖像，包括圖像信號、復(fù)合消隱脈沖及同步脈沖組成。

3.2 控制圖像顯示器

圖像顯示采用D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。圖像的D/A轉(zhuǎn)換器通常要求SYNC（復(fù)合同步）、PDACLK（工作時鐘）、BLANK（場行消隱）信號[3]。 經(jīng)由FPGA產(chǎn)生這些信號將有助于硬件設(shè)計簡化。FPGA在讀寫外部數(shù)據(jù)時要求必須有時序性，所以，數(shù)據(jù)傳輸流必須配合FPGA的時序。

3.3 設(shè)計驅(qū)動程序

設(shè)計驅(qū)動程序原則是WDM（驅(qū)動程序模型）。采用NUMEGA公司開發(fā)包Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并用VC++6.0作為輔助環(huán)境開發(fā)進行DMA傳輸，完成實時圖像處理卡與主機高速DMA傳輸及對主機DSP內(nèi)存空間的讀寫。支持即插即用。

3.4 主機端應(yīng)用程序設(shè)計

當(dāng)次DMA傳輸完成后處理平臺卡將產(chǎn)生中斷，啟動下一次的DMA傳輸，需要取出下一個IRP。在I /O管理器調(diào)用驅(qū)動程序的中斷服務(wù)和 DPCFORISR完成IRP，再取出下一個IRP。通過重復(fù)工作，不斷進行DMA傳輸，完成實時圖像處理卡與主機高速DMA傳輸及對主機DSP內(nèi)存空間的讀寫[4]。

3.5 圖像處理器軟件設(shè)計

當(dāng)首先程序初始化，在DSP完成接受復(fù)位信號之后，啟動BOOTLOADER，開始執(zhí)行程序。進入for循環(huán)，等待中斷信號。DSP在響應(yīng)PCI中斷后，進行實時圖像的顯示處理。DSP軟件詳細設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 DSP軟件設(shè)計詳細流程

4 結(jié)束語

通過以上的分析理解及研究探討，可以得出實時圖像處理系統(tǒng)平臺具有本身多功性，實現(xiàn)方法多樣性的特點。加大實時圖像處理系統(tǒng)平臺的研究設(shè)計和實現(xiàn)有著巨大的價值。信息數(shù)字化時代的圖像處理技術(shù)日新月異，實時圖像處理系統(tǒng)平臺的發(fā)展應(yīng)用要以科學(xué)發(fā)展觀作為指導(dǎo)，大力開拓實時圖像處理系統(tǒng)平臺的設(shè)計實現(xiàn)領(lǐng)域范圍。

[1]魯昌華，石洪源，梁銀海，等.基于FPGA+DSP的實時圖像處理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33（12）：72-75.

[2]段雷，李梅，王彩霞.基于DSP和FPGA的實時圖像處理平臺的設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，6（5）：52-54，70.

[3]蔣濤，李自勤.基于FPGA的實時圖像中值濾波算法及實現(xiàn)[J].微計算機信息，2012（10）：196-197，297.

[4]程遠，李亞聰.FPGA平臺的實時圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2012，19（7）：46-47.

Hardware Design and Im plementation of Real-time Image Processing System

WANG Qiang，SUN Zhu，SUN Yan
（School of Physics and Electronic Science，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009）

The emergence of real-time image processing technology greatly expands the breadth and depth application of image processing.Real-time image processing technology iswidely applied every level and it isworthy of researching and discussing hardware design and implementation of real-time image processing system.This article will focus on hardware design and implementation of real-time image processing system，and will raise a kind of optimization of real-time image processing system based on other current systems.

real-time image processing system；design；implementation 〔責(zé)任編輯 李?！?/p>

O412.3

A

1674－0874（2013）06－0022－03

2013-08-15

王強（1986-），男，山西陽泉人，碩士，助教，研究方向：圖像處理。