劉 燕，陳興文，李 敏

(大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連116605)

隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，圖像和視頻的應(yīng)用愈加廣泛。大部分圖像數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用前皆需進(jìn)行有針對(duì)性的處理，如根據(jù)圖像數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像進(jìn)行增強(qiáng)、除噪、銳化和識(shí)別等。此外，為了有效實(shí)時(shí)地傳輸信息，還必須對(duì)圖像進(jìn)行壓縮。圖像處理技術(shù)尤其是實(shí)時(shí)處理，現(xiàn)已成為一個(gè)熱門(mén)的研究方向。本研究旨在設(shè)計(jì)基于DSP的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。在DSP的控制下，不借助任何微機(jī)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集、轉(zhuǎn)換、處理以及顯示等相關(guān)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(diǎn)。能根據(jù)對(duì)圖像處理的不同要求，通過(guò)軟件編程來(lái)完成相關(guān)的圖像處理工作。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要由圖像信號(hào)處理和圖像視頻采集顯示兩大模塊構(gòu)成，具體包括視頻信號(hào)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(jié)構(gòu)框圖如圖1。

視頻信號(hào)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(guò)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(jīng)過(guò)AL250芯片D/A轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào)，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(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 DSP圖像信號(hào)處理模塊

該模塊以TMS320C6416GLZ為核心，利用片內(nèi)集成外設(shè)EDMA通道對(duì)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(hào)處理模塊DSP片內(nèi)RAM中，進(jìn)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(jīng)過(guò)AL250 D/A轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào)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(chǔ)器調(diào)到片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM，利用EDMA與CPU并行工作的特點(diǎn)，采用PING-PONG技術(shù)，可作到如同數(shù)據(jù)總在片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM被處理，以提高運(yùn)行速度［3-4］。

使用PING、PONG兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，PING存儲(chǔ)區(qū)主要進(jìn)行算法處理，因此該區(qū)設(shè)在高速的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM中，PONG存儲(chǔ)區(qū)選用片外SDRAM，主要任務(wù)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(guò)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(shí)EDMA通道1將PONG中的上次結(jié)果送到輸出RAM。這樣使得對(duì)數(shù)據(jù)處理的同時(shí)傳輸處理后的數(shù)據(jù)送顯示。

1.2 存儲(chǔ)模塊

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

(2)擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA)。本系統(tǒng)充分利用了C6416中EDMA的優(yōu)勢(shì)，利用 EDMA實(shí)現(xiàn)片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)，以及外部存儲(chǔ)空間之間的數(shù)據(jù)搬移，完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。由于EDMA可以進(jìn)行獨(dú)立操作，因而整個(gè)采樣和輸出過(guò)程基本不影響DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算。在本系統(tǒng)中一幀圖像需要占用512KB的存儲(chǔ)空間，每幀圖像分8場(chǎng)傳輸，每傳輸一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)為64KB。在使用EDMA通道傳輸時(shí)，一場(chǎng)圖像設(shè)置16K個(gè)數(shù)據(jù)單元，每個(gè)數(shù)據(jù)單元為32bit，在場(chǎng)同步信號(hào)的控制下，啟動(dòng)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(chǔ)和一片用于控制時(shí)序和地址產(chǎn)生的CPLD，視頻采集硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

SAA7111AHZ芯片進(jìn)行視頻采集得到16bit的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合彩色數(shù)字信號(hào)，寫(xiě)入輸入RAM中進(jìn)行緩存，當(dāng)采集完畢后，產(chǎn)生中斷給DSP，通知DSP可以開(kāi)始對(duì)圖像進(jìn)行處理了，此時(shí)，DSP讀取當(dāng)前場(chǎng)采集得到的圖像數(shù)據(jù)，和前一場(chǎng)中采集得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理。處理后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出RAM，經(jīng)AL250芯片D/A轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào)。由于SAA7111AHZ與AL250都是由IIC總線控制的，因此采用一單片機(jī)來(lái)控制IIC總線。

圖2 視頻采集硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)或復(fù)位后，DSP程序加載與啟動(dòng)，并完成系統(tǒng)的初始化以及各個(gè)參數(shù)的設(shè)置，即系統(tǒng)自舉，隨后開(kāi)始等待外部中斷，當(dāng)觸發(fā)搬移圖象數(shù)據(jù)的外部中斷INT4產(chǎn)生后，DSP啟動(dòng)SAA7111AHZ中采集到的數(shù)據(jù)自雙口RAM搬移至內(nèi)部RAM，數(shù)據(jù)傳輸完畢，隨即產(chǎn)生EDMA中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送入雙口RAM，經(jīng)過(guò)AL250芯片D/A轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號(hào)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(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的功能，采用了經(jīng)典的邊緣提取算法驗(yàn)證。首先在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上采集到的待處理的原始圖像如圖4(a)。經(jīng)典的邊緣提取算子主要按照模板實(shí)現(xiàn)，由于模板不允許移出邊界，因此對(duì)邊界上無(wú)法進(jìn)行操作的象素，復(fù)制其臨近邊緣的灰度值，例如在Sobel算子(33模板)中對(duì)邊界象素進(jìn)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(duì)圖4(a)原始圖像進(jìn)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?yàn)樵谶^(guò)濾噪聲的同時(shí)將邊緣平滑了，所以使得邊緣相對(duì)較粗。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以TMS320C6416為核心構(gòu)建了實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)，并在所構(gòu)建的圖像處理平臺(tái)上完成了邊緣檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了不借助微機(jī)任何資源即可完成對(duì)圖像的采集、轉(zhuǎn)換、處理以及顯示等相關(guān)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(yīng)用價(jià)值。

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