基于DSP的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

饒蔚巍 張小祿 姚新濤 丁毅

摘要：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能包括采集圖片、傳輸圖片、圖片預(yù)處理、圖像識(shí)別等基本功能，研究分析了兩種常見的圖像識(shí)別算法，并利用系統(tǒng)對(duì)字符數(shù)據(jù)進(jìn)行了圖像識(shí)別實(shí)例分析，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：DSP；圖像識(shí)別；實(shí)例應(yīng)用

1 DSP概述

1.1DSP的發(fā)展與應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速成熟與廣泛使用，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也隨之迅猛的發(fā)展起來，研究人員提出了越來越多切實(shí)可行的數(shù)字信號(hào)處理方法，上世紀(jì)七十年代末研究人員首次提出了DSP的基本概念與處理方法，在此之前，解決數(shù)字信號(hào)處理問題只能憑借微型計(jì)算機(jī)來完成，算法編譯速度慢，系統(tǒng)運(yùn)行效率低，八十年代初，第一枚DSP芯片橫空出世，即使在功率損耗以及大小上面稍有缺陷，但是就運(yùn)行效率而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)將微型計(jì)算機(jī)甩在了身后。

現(xiàn)如今DSP制造技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在通信、電力，亦或是人工智能、日常生活等方方面面都能看到DSP的影子。

1.2DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)。DSP系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單來說就是系統(tǒng)運(yùn)行的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采集信號(hào)的速度，整個(gè)系統(tǒng)將圖片信號(hào)處理完成后的截止時(shí)間與采集圖像信號(hào)的開始時(shí)間相差極小，時(shí)間差在誤差允許范圍內(nèi)，則說明這個(gè)系統(tǒng)是具有實(shí)時(shí)性的，不同信號(hào)類型對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率影響不同，就文字、語音或者電信號(hào)而言，數(shù)據(jù)樣本極小，占用空間幾乎可以忽略不計(jì)，但是圖像信號(hào)往往是以二維、三維矩陣的形式傳輸儲(chǔ)存，信號(hào)數(shù)據(jù)量極大，因此對(duì)系統(tǒng)采樣速率以及處理信號(hào)的能力要求最高，想要利用MCU或者PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度極大，且很難達(dá)到理想效果。

相較于MCU與PC而言，DSP內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)采用典型的哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)與程序分別儲(chǔ)存在不同的區(qū)域，有利于并行讀指令與取操作數(shù)，加大程序處理效率。另外，DSP系統(tǒng)的邏輯與運(yùn)算單元具有很多特點(diǎn)，比如采用專用的硬件乘法器來提高運(yùn)算效率，縮短算法執(zhí)行時(shí)間，并且還存在多功能單元使得DSP系統(tǒng)在最短的時(shí)間里并行完成最大的工作量。流水線結(jié)構(gòu)、指令周期短等都是DSP系統(tǒng)優(yōu)秀性能的基本保證。

2實(shí)時(shí)DSP圖像識(shí)別系統(tǒng)的環(huán)境搭建

圖像識(shí)別系統(tǒng)一般包括兩大部分，分別是圖像采集與圖像識(shí)別，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)初始化完成之后，觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)致DSP中斷，DSP通過12C總線對(duì)采集芯片SAA7111寄存器設(shè)置特定參數(shù)，進(jìn)而開始采集圖片，經(jīng)過CPLD實(shí)現(xiàn)采集芯片的幀控制、時(shí)序邏輯，發(fā)出特定的地址信號(hào)，結(jié)合鎖存器便可生成RGB圖像，圖像采集完成之后，繼而通過DSP的直接內(nèi)存存取就可存入SDRAM以便進(jìn)行圖像識(shí)別算法的處理，同時(shí)也可以再通過PCI總線輸送到Pc端顯示。同時(shí)需要對(duì)DSP與各模塊的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建，完成各數(shù)據(jù)傳輸總線的邏輯控制，另外整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)與電源配置也都是十分重要的。

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圖像識(shí)別算法的設(shè)計(jì)

算法是整個(gè)實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)的靈魂，優(yōu)秀的圖像識(shí)別算法必須符合運(yùn)行速度快，簡(jiǎn)便易編寫，并且識(shí)別圖像的錯(cuò)誤率低等基本特點(diǎn)。圖像識(shí)別算法多種多樣，各有各的特點(diǎn)，需要根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)采取最適合的方案。

綜上所述，職業(yè)技能競(jìng)賽的不僅使我們看到了職業(yè)教育課程中存在的問題，而且通過舉行大賽可以促進(jìn)對(duì)這些問題的解決，同時(shí)構(gòu)建校企合作平臺(tái)，疏通就業(yè)“出口”，響應(yīng)國(guó)家“產(chǎn)教融合、雙創(chuàng)精神”的號(hào)召。職業(yè)技能競(jìng)賽活動(dòng)的開展，為職業(yè)院校創(chuàng)新培養(yǎng)模式、提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)核心能力找到了載體和切入點(diǎn)，為修改教學(xué)計(jì)劃、增補(bǔ)教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)提供了依據(jù)。

3.1圖像模板匹配算法。在多個(gè)時(shí)間、不同成像條件對(duì)相同成像對(duì)象的多個(gè)圖像在空間上校準(zhǔn)，也可以根據(jù)已知圖像模式到另一幅圖像中尋找相應(yīng)模式的圖像處理方法被稱為圖像模板匹配算法。在待處理圖像之中搜尋目標(biāo)，一般說來目標(biāo)與模板具有相同的尺寸、方向與圖像，設(shè)定匹配閡值，計(jì)算兩者相關(guān)性再與閾值相比較，便可以在待處理圖片中匹配到目標(biāo)，根據(jù)像素確定目標(biāo)所在位置，算法簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，是最常用的圖像識(shí)別算法之一。

3.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法。BP（Back Propagation）網(wǎng)絡(luò)是1986年由Rumelhart和McCelland為首的科研小組首次提出，是一種按照誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)用領(lǐng)域非常多的一種模型。一般BP算法可以訓(xùn)練多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，近似最速下降法，其誤差函數(shù)為平均平方誤差。每個(gè)樣本作用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)，權(quán)值或閾值都會(huì)得到一次修改，BP網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任意的連續(xù)函數(shù)，非線性映射能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)的中間層數(shù)、各層的處理單元數(shù)及網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)系數(shù)等按照實(shí)際需要設(shè)置，靈活性極強(qiáng)，算法流稗如圖2所示。

4 DSP圖像識(shí)別系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

采用本次設(shè)計(jì)的DSP實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)不同字體的字符串圖片“0123456789”進(jìn)行識(shí)別，采集到圖像之后先進(jìn)行圖像預(yù)處理，降低運(yùn)算難度，增大匹配準(zhǔn)確性，將預(yù)處理之后的圖片作為待搜索圖片進(jìn)行處理，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法運(yùn)算量較大，過程復(fù)雜，所以采用圖像模板匹配算法，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不設(shè)定閾值的時(shí)候，識(shí)別錯(cuò)誤字符數(shù)量為三個(gè)，當(dāng)設(shè)定閾值時(shí)，錯(cuò)誤數(shù)量變?yōu)閮蓚€(gè)，正確識(shí)別率高達(dá)百分之九十，錯(cuò)誤率為僅占百分之五，另外百分之五系統(tǒng)無法識(shí)別，當(dāng)設(shè)定閡值大于0.60時(shí)，正確率降低，并且無法識(shí)別的字符數(shù)增加。當(dāng)閾值設(shè)定值小于0.60時(shí)，正確率增加，無法識(shí)別的字符減少但是識(shí)別不準(zhǔn)確的字符數(shù)增加。最后系統(tǒng)使用固定閾值0.60對(duì)規(guī)范樣本字符數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如表1所示。

5結(jié)束語

本文首先介紹了DSP的發(fā)展與應(yīng)用，在分析DSP特點(diǎn)的基礎(chǔ)上搭建了DSP實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)常用的兩種圖像識(shí)別算法，即模板匹配算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法做了簡(jiǎn)單介紹，并選擇模板匹配算法作為此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所采用的圖像識(shí)別算法，對(duì)樣本圖像字符進(jìn)行了識(shí)別處理，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。