趙紅軍　吳斌

摘 要： 復(fù)雜圖像分類(lèi)需要處理海量數(shù)據(jù)，縮小數(shù)據(jù)量是必經(jīng)之路。根據(jù)這種情況，設(shè)計(jì)基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器，采取DSP輔助圖像處理進(jìn)行分類(lèi)主從結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖像處理器ARM870T接入復(fù)雜圖像模擬數(shù)據(jù)并去噪，由數(shù)字編碼器將圖像模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)DSP進(jìn)行像素點(diǎn)估計(jì)，聚合像素點(diǎn)估計(jì)值得到復(fù)雜圖像分類(lèi)結(jié)果。設(shè)計(jì)了分類(lèi)器接口、控制和計(jì)算的結(jié)構(gòu)與資源，描述了圖像處理在DSP上的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的復(fù)雜圖像分類(lèi)器具備魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 圖像處理； DSP； 主從結(jié)構(gòu)； 復(fù)雜圖像分類(lèi)器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.73?34； TP752.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0117?03

Abstract： The complex image classification needs to process the huge amounts of data， therefore the reduction of data quantity is the only way for that. According to this situation， a complex image classifier based on DSP and image processing was designed. The master?slave structure classified with DSP aided image processing is used to access into the complex image analog data through image processor ARM870T to denoise the data. The image analog data is converted into digital data through digital encoder. The pixel points are estimated through DSP. The estimation value of the pixel points is integrated to get the complex image classification results. The structure and resource of the classifier interface， control and computation were designed. The implementation method of image processing based on DSP is described. The experimental result shows that the complex image classifier has strong robustness.

Keywords： image processing； DSP； master?slave structure； complex image classifier

0 引 言

圖像分類(lèi)是圖像處理的重要分支，在計(jì)算機(jī)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、測(cè)繪、軍事、建筑等方面均具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的組成成分之一。圖像分類(lèi)器是指可以隨時(shí)處理外部圖像信息，用最短的時(shí)間取得精確處理結(jié)果的器件，它的響應(yīng)時(shí)間要大大短于普通圖像分類(lèi)器，因而要求硬件內(nèi)部資源可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速分類(lèi)與通信，以保證分類(lèi)器邏輯結(jié)構(gòu)不會(huì)偏離既定時(shí)序運(yùn)行[1]。復(fù)雜圖像分類(lèi)將主要進(jìn)行海量二維數(shù)據(jù)的處理，意味著需要將二維數(shù)據(jù)壓縮或轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量小且便于處理的格式，因此，設(shè)計(jì)基于圖像處理與DSP（數(shù)字信號(hào)處理）的復(fù)雜圖像分類(lèi)器。

1 基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，DSP是一種微型處理器，圖像處理與DSP的結(jié)合擁有許多詳盡的參考案例，最早用在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程中[2]。隨著DSP數(shù)據(jù)處理性能的不斷提升，它具備了靈活、高速的處理和通信能力，可以提供低耗、快捷的數(shù)據(jù)編程空間，為圖像處理尋找有效的處理路徑。

圖1是基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器硬件結(jié)構(gòu)圖，由控制平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)組成?？刂破脚_(tái)由圖像處理器ARM870T[3]、一些控制電路以及通信口組成。計(jì)算平臺(tái)采用雙核心DSP，由兩個(gè)相同的DSP、一個(gè)數(shù)字編碼器和一些計(jì)算電路組成。圖像處理最重要的任務(wù)是進(jìn)行復(fù)雜圖像去噪，為了保證分類(lèi)器的處理效率和精度，需要將圖像去噪進(jìn)程引入DSP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

由圖1可知，圖像處理器ARM870T與DSP的通信方式是總線(xiàn)通信，前者可以驅(qū)動(dòng)后者進(jìn)行初始化、計(jì)算方案控制以及數(shù)據(jù)通信?？刂破脚_(tái)與計(jì)算平臺(tái)的器件可以互相控制，數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)互傳?；趫D像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器以圖像處理器ARM870T為主機(jī)，兩個(gè)DSP輔助主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)。計(jì)算平臺(tái)采用數(shù)字編碼器連接兩個(gè)DSP，同時(shí)溝通圖像處理的去噪進(jìn)程。兩個(gè)DSP還可以通過(guò)圖像處理器ARM870T提供的主機(jī)接口進(jìn)行連接，與數(shù)字編碼器構(gòu)成一種環(huán)狀通信結(jié)構(gòu)[4]，計(jì)算平臺(tái)所有的數(shù)據(jù)都可通過(guò)任意一個(gè)器件的存儲(chǔ)接口進(jìn)行采集，代表復(fù)雜圖像分類(lèi)器具有并行與串行兩種圖像通信模式。

基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1） 通過(guò)平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法區(qū)分圖像處理與DSP功能特點(diǎn)，弱化分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)難度；

（2） 具有豐富的通信接口，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部器件的簡(jiǎn)易通信，硬件資源豐富，拓展能力強(qiáng)；

（3） 圖像處理為主機(jī)端，可對(duì)內(nèi)、外部器件進(jìn)行統(tǒng)一控制和分散管理，使分類(lèi)器具有獨(dú)立計(jì)算的能力；

（4） 通過(guò)數(shù)字編碼器輔助進(jìn)行邏輯控制，所有器件構(gòu)成互通結(jié)構(gòu)[5]，增強(qiáng)分類(lèi)器靈活處理能力；endprint

（5） 兩個(gè)DSP同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜圖像去噪與分類(lèi)計(jì)算，可采取模糊背景圖像處理；

（6） 主從結(jié)構(gòu)模式有利于數(shù)據(jù)通信與控制。

1.2 硬件資源設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)的硬件資源豐富，為基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器的基礎(chǔ)性能做出了貢獻(xiàn)。分類(lèi)器接口資源設(shè)計(jì)時(shí)通用輸入/輸出口選擇1個(gè)并行口，1個(gè)串行口，接入雙徑模擬數(shù)據(jù)。顯示屏接口4線(xiàn)制[6]電容式顯示屏接入，屏幕大小為3.5寸以上。存儲(chǔ)接口為1個(gè)串行口、1個(gè)總線(xiàn)口。圖像輸入接口為1個(gè)串行口，支持單徑圖像接入圖像處理器。分類(lèi)器控制資源中的圖像處理器存儲(chǔ)資源的基本存儲(chǔ)為150 MB、快存存儲(chǔ)5 MB；選擇ARM870T，主頻450 MHz，最大調(diào)制頻率550 MHz的圖像處理器。分類(lèi)器計(jì)算資源設(shè)計(jì)中的DSP是主頻1.5 GHz，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器3 MB；DSP存儲(chǔ)資源是多媒體存儲(chǔ)5 MB，數(shù)字內(nèi)存512 MB；拓展資源為3個(gè)30針拓展接口[7]，有82個(gè)管腳可與開(kāi)發(fā)板互通數(shù)據(jù)。

從接口、資源和計(jì)算資源中可以得出，整個(gè)復(fù)雜圖像分類(lèi)器中接口資源是最多的，對(duì)復(fù)雜圖像的顯示、處理、數(shù)據(jù)通信、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算、分類(lèi)等提供了強(qiáng)有力的支持。控制平臺(tái)采用嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜圖像分類(lèi)器的數(shù)據(jù)流控制。圖像處理器ARM870T的最大調(diào)制頻率為550 MHz，不管是傳送控制指令，還是收發(fā)復(fù)雜圖像數(shù)據(jù)，都能取得優(yōu)異的控制成效。對(duì)于計(jì)算平臺(tái)雙核心DSP結(jié)構(gòu)，其具備獨(dú)立的資源存儲(chǔ)模塊，數(shù)字編碼器輔助DSP執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。

1.3 復(fù)雜圖像分類(lèi)流程設(shè)計(jì)

從資源劃分與硬件結(jié)構(gòu)上看，計(jì)算平臺(tái)其實(shí)是控制平臺(tái)的外接單元，作用是提供高速、靈活的復(fù)雜圖像分類(lèi)進(jìn)程，而復(fù)雜圖像分類(lèi)器中進(jìn)行的計(jì)算任務(wù)全部是由圖像處理器ARM870T、DSP和數(shù)字編碼器共同進(jìn)行的[8]。通過(guò)圖像處理器ARM870T接入復(fù)雜圖像，存儲(chǔ)圖像模擬數(shù)據(jù)并進(jìn)行去噪計(jì)算，將計(jì)算指令輸送到數(shù)字編碼器，由數(shù)字編碼器將圖像模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)DSP進(jìn)行復(fù)雜圖像分類(lèi)。圖2是基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器分類(lèi)流程。

由于復(fù)雜圖像不像普通圖像可以準(zhǔn)確找出圖像像素中心點(diǎn)，因此在分類(lèi)過(guò)程中將初始點(diǎn)指定為像素點(diǎn)i，設(shè)定圖像處理界限，再確定圖像虛擬中心點(diǎn)。設(shè)定一個(gè)復(fù)雜圖像分類(lèi)處理窗口，從任意圖像位置j點(diǎn)開(kāi)始處理，如果j點(diǎn)不在處理窗口之內(nèi)，循環(huán)進(jìn)行i=i+1指令，直到i點(diǎn)在處理窗口之內(nèi)。將處于在處理窗口之內(nèi)的j點(diǎn)與j+1點(diǎn)進(jìn)行相似度計(jì)算，聚合計(jì)算得到的所有相似度數(shù)據(jù)，分離開(kāi)復(fù)雜圖像中重疊的像素點(diǎn)，對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。聚合像素點(diǎn)估計(jì)值可得到分類(lèi)結(jié)果。

2 復(fù)雜圖像分類(lèi)器中圖像處理在DSP上的實(shí)現(xiàn)

圖像處理器ARM870T控制指令在DSP中的實(shí)現(xiàn)依靠C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調(diào)試，需要根據(jù)DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更新控制指令格式[9]，將復(fù)雜圖像控制指令輸送到DSP之后，通過(guò)圖像處理軟件平滑處理窗口邊界，拓展圖像邊界處的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，令圖像處理控制指令可以為DSP所用。

在圖2的計(jì)算過(guò)程中，每進(jìn)行一次像素點(diǎn)估計(jì)，便會(huì)得到一個(gè)m行m列的矩形估計(jì)窗，如圖3所示。所有估計(jì)窗重疊在一起達(dá)到一定數(shù)量將產(chǎn)生聚合指令，聚合后的圖像分辨率應(yīng)與去噪后的復(fù)雜圖像分辨率相同。初始化聚合圖像，得到一個(gè)像素點(diǎn)平均估計(jì)值，將這個(gè)估計(jì)值展開(kāi)根據(jù)估計(jì)塊大小賦予像素點(diǎn)估計(jì)值。當(dāng)所有像素點(diǎn)都得到惟一的估計(jì)值，修剪處理窗口邊界的拓展數(shù)據(jù)，聚合后輸出分類(lèi)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

如果一個(gè)圖像分類(lèi)器的魯棒性強(qiáng)，那么它就可以對(duì)抗圖像野值點(diǎn)（嚴(yán)重偏離圖像像素平均值的像素點(diǎn)）帶來(lái)的噪聲干擾?？梢?jiàn)，魯棒性對(duì)于分類(lèi)器，尤其是進(jìn)行復(fù)雜圖像處理的分類(lèi)器極其重要。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了兩個(gè)魯棒性測(cè)試數(shù)據(jù)集合，圖像像素平均值分別是（0，0）和（3，0），偏離容錯(cuò)區(qū)間是（0.5，0.5）和（1，0.5）。在第一個(gè)數(shù)據(jù)集合中添加兩個(gè)野值點(diǎn)，分別是（-15，80）和（30，-60）。在第二個(gè)數(shù)據(jù)集合中添加三個(gè)野值點(diǎn)，分別是（100，120），（75，-180）和（-80，-50）。編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，當(dāng)野值點(diǎn)被分類(lèi)到任何一個(gè)復(fù)雜圖像屬性中，輸出一個(gè)“NO”值。用三種復(fù)雜圖像分類(lèi)器進(jìn)行10次分類(lèi)，統(tǒng)計(jì)“NO”值數(shù)量，如表1所示。

表1中，本文設(shè)計(jì)的基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器對(duì)野值點(diǎn)的正確劃分能力明顯優(yōu)于其他兩種復(fù)雜圖像分類(lèi)器，可以真實(shí)展示復(fù)雜圖像內(nèi)在屬性，擁有有效的分類(lèi)機(jī)制，分類(lèi)結(jié)果純正，具備局部魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

重新編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，用來(lái)測(cè)試復(fù)雜圖像分類(lèi)器的總體魯棒性與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致[10]。當(dāng)分類(lèi)器將任何一個(gè)像素點(diǎn)分類(lèi)到不相容的圖像屬性中，輸出一個(gè)“NO”值。下面在相同條件下進(jìn)行10次測(cè)試，“NO”值數(shù)量統(tǒng)計(jì)表如表2所示。表2中，時(shí)域抖動(dòng)分類(lèi)器和模糊神經(jīng)分類(lèi)器依舊無(wú)法超越本文分類(lèi)的魯棒性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)了圖像處理在DSP上的控制。分類(lèi)器以圖像處理器ARM870T為主機(jī)，兩個(gè)DSP輔助主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)，具有并行與串行兩種圖像通信模式。實(shí)驗(yàn)為復(fù)雜圖像分類(lèi)器魯棒性測(cè)試準(zhǔn)備了數(shù)據(jù)集合，在不同野值點(diǎn)的條件下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示本文分類(lèi)器具備魯棒性強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)。

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