基于DSP嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 燕，陳興文，李 敏

(大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連116605)

隨著計算機及通信技術的發(fā)展，圖像和視頻的應用愈加廣泛。大部分圖像數(shù)據(jù)在實際應用前皆需進行有針對性的處理，如根據(jù)圖像數(shù)據(jù)特點和應用領域對圖像進行增強、除噪、銳化和識別等。此外，為了有效實時地傳輸信息，還必須對圖像進行壓縮。圖像處理技術尤其是實時處理，現(xiàn)已成為一個熱門的研究方向。本研究旨在設計基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)。在DSP的控制下，不借助任何微機系統(tǒng)即可實現(xiàn)對圖像的采集、轉換、處理以及顯示等相關工作，即做到了“嵌入式”。具有體積小、成本低、工作可靠等優(yōu)點。能根據(jù)對圖像處理的不同要求，通過軟件編程來完成相關的圖像處理工作。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

該數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要由圖像信號處理和圖像視頻采集顯示兩大模塊構成，具體包括視頻信號采集、邏輯控制、幀緩存、圖像處理、圖像數(shù)據(jù)傳送及圖像顯示6部分［1-2］。硬件結構框圖如圖1。

視頻信號的采集部分主要由CCD圖像傳感器及視頻采集與解碼功能于一體的SAA7111AHZ組成，邏輯控制部分由CPLD完成，圖像處理部分以DSP為核心，圖像傳送部分主要通過EDMA通道使圖像數(shù)據(jù)在DSP及緩存RAM間傳送，圖像顯示部分將處理后的圖像數(shù)據(jù)經過AL250芯片D/A轉換后輸出標準的VGA信號，在一般的顯示器上即可顯示。

圖1 基于DSP的數(shù)字圖像處理平臺硬件結構圖

1.1 DSP圖像信號處理模塊

該模塊以TMS320C6416GLZ為核心，利用片內集成外設EDMA通道對圖像視頻采集顯示模塊采集到的輸入RAM中的數(shù)據(jù)搬移到圖像信號處理模塊DSP片內RAM中，進行算法處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)送回視頻采集顯示模塊，經過AL250 D/A轉換后輸出標準的VGA信號顯示。為了提高程序執(zhí)行效率，必須將程序要用到的數(shù)據(jù)先由片外存儲器調到片內數(shù)據(jù)RAM，利用EDMA與CPU并行工作的特點，采用PING-PONG技術，可作到如同數(shù)據(jù)總在片內數(shù)據(jù)RAM被處理，以提高運行速度［3-4］。

使用PING、PONG兩個存儲區(qū)，PING存儲區(qū)主要進行算法處理，因此該區(qū)設在高速的片內數(shù)據(jù)RAM中，PONG存儲區(qū)選用片外SDRAM，主要任務是緩存處理后的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)捷敵鯮AM。從輸入RAM接收到的數(shù)據(jù)通過EDMA通道0傳輸?shù)絇ING中，在此完成算法處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)緩存到PONG中，與此同時EDMA通道1將PONG中的上次結果送到輸出RAM。這樣使得對數(shù)據(jù)處理的同時傳輸處理后的數(shù)據(jù)送顯示。

1.2 存儲模塊

(1)外部存儲器擴展。EMIF是外部存儲器和C6416片內其他單元的接口，CPU訪問片外存儲器時必須通過EMIF，EMIF具有很強的接口能力，C6416的EMIFA支持8/16/32/64bit的數(shù)據(jù)訪問，EMIFB支持8/16bit的數(shù)據(jù)訪問。本系統(tǒng)利用EMIFA擴展兩片SDRAM(Micron公司的MT48LC2M32B2TG)，擴展后的存儲容量為128Mbit，數(shù)據(jù)線64位寬。

(2)擴展的直接存儲器訪問(EDMA)。本系統(tǒng)充分利用了C6416中EDMA的優(yōu)勢，利用 EDMA實現(xiàn)片內存儲器、片內外設，以及外部存儲空間之間的數(shù)據(jù)搬移，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。由于EDMA可以進行獨立操作，因而整個采樣和輸出過程基本不影響DSP的數(shù)據(jù)運算。在本系統(tǒng)中一幀圖像需要占用512KB的存儲空間，每幀圖像分8場傳輸，每傳輸一場圖像數(shù)據(jù)為64KB。在使用EDMA通道傳輸時，一場圖像設置16K個數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元為32bit，在場同步信號的控制下，啟動數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 視頻采集與顯示模塊

視頻采集顯示模塊集成了系統(tǒng)中采集、邏輯控制及圖像顯示三部分。該部分主要包括Philips公司的 SAA7111AHZ芯片，Averlogic公司的AL250芯片，并載有兩片128KB(16bit寬)的雙口RAM作為幀存儲和一片用于控制時序和地址產生的CPLD，視頻采集硬件結構如圖2。

SAA7111AHZ芯片進行視頻采集得到16bit的標準復合彩色數(shù)字信號，寫入輸入RAM中進行緩存，當采集完畢后，產生中斷給DSP，通知DSP可以開始對圖像進行處理了，此時，DSP讀取當前場采集得到的圖像數(shù)據(jù)，和前一場中采集得到的圖像數(shù)據(jù)進行算法處理。處理后的數(shù)據(jù)寫入輸出RAM，經AL250芯片D/A轉換后輸出標準的VGA信號。由于SAA7111AHZ與AL250都是由IIC總線控制的，因此采用一單片機來控制IIC總線。

圖2 視頻采集硬件結構圖

2 系統(tǒng)軟件結構設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，分為系統(tǒng)初始化、圖像數(shù)據(jù)傳輸以及圖像處理3大部分。在系統(tǒng)完成了上電啟動或復位后，DSP程序加載與啟動，并完成系統(tǒng)的初始化以及各個參數(shù)的設置，即系統(tǒng)自舉，隨后開始等待外部中斷，當觸發(fā)搬移圖象數(shù)據(jù)的外部中斷INT4產生后，DSP啟動SAA7111AHZ中采集到的數(shù)據(jù)自雙口RAM搬移至內部RAM，數(shù)據(jù)傳輸完畢，隨即產生EDMA中斷，進入中斷服務程序，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理并送入雙口RAM，經過AL250芯片D/A轉換后輸出標準的VGA信號便可以在一般的顯示器上顯示處理后的圖象。具體的系統(tǒng)軟件流程如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實驗測試與分析

為了測試系統(tǒng)的功能，采用了經典的邊緣提取算法驗證。首先在系統(tǒng)硬件平臺上采集到的待處理的原始圖像如圖4(a)。經典的邊緣提取算子主要按照模板實現(xiàn)，由于模板不允許移出邊界，因此對邊界上無法進行操作的象素，復制其臨近邊緣的灰度值，例如在Sobel算子(33模板)中對邊界象素進行如下處理:

void sobelfilter(Uint16* inputbuffer16，Uint16* outputbuffer16，int cols，int rows)

{

……

for(i=0;i＜cols;i++)

*((Uint16*)outputbuffer16+i)=*((Uint16*)outputbuffer16+cols+i);

for(i=cols*rows-cols;i＜cols*rows;i++)

*((Uint16*)outputbuffer16+i)=*((Uint16*)outputbuffer16-cols+i);}

對圖4(a)原始圖像進行不同的邊緣提取算子處理后的圖像分別如圖4(b)、4(c)、4(d)。

圖4 原始圖像與處理后的圖像

從處理后的圖中可以直觀的看出，Roberts算子邊緣定位較高，Soble算子的邊緣圖中提取出的邊緣數(shù)欠完整且受噪聲干擾較大。LoG算子的邊緣圖中的邊緣連續(xù)性很好，完整性也較優(yōu)，但是LoG算子邊緣較粗，主要因為在過濾噪聲的同時將邊緣平滑了，所以使得邊緣相對較粗。

4 結語

本系統(tǒng)以TMS320C6416為核心構建了實時圖像處理平臺，并在所構建的圖像處理平臺上完成了邊緣檢測算法，實現(xiàn)了不借助微機任何資源即可完成對圖像的采集、轉換、處理以及顯示等相關工作，大大降低了系統(tǒng)的成本，提高了工作的可靠性，具有較高的應用價值。

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