DSP圖像采集處理專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

1、DSP 圖像采集處理專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例DSP圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例本章將介紹基于 TI C6000 系列 DSP芯片的圖像采集處理系統(tǒng)實(shí)例。第一節(jié)介紹圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用。第二節(jié)介紹圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，著重分析如何平衡需求和成本的設(shè)計(jì)方法。第三節(jié)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，分析 DSP和圖像采集芯片的接口、電氣知識(shí)等，給出了設(shè)計(jì)方案。最后介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要介紹本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也重點(diǎn)介紹TI 的圖像庫(kù)。1 圖像采集處理系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形深入應(yīng)用和高層應(yīng)用的一個(gè)極其廣泛的領(lǐng)域，它把來(lái)自照相機(jī)、攝像機(jī)或者傳真掃描裝置、醫(yī)用 CT機(jī)、 x 光機(jī)等的圖像，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換后得到

2、數(shù)字圖像信息，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼、濾波、增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮、存儲(chǔ)等處理，最后產(chǎn)生可視圖像，這種技術(shù)稱(chēng)為圖像處理(ImageProcessing) 。圖像處理技術(shù)在通信科學(xué)、生產(chǎn)與管理、多媒體技術(shù)、高清晰度電視、醫(yī)用圖像處理、商品電子化、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信事業(yè)上，傳統(tǒng)的圖像信息傳輸是以模擬圖像信號(hào)形式出現(xiàn)的。為了提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度，近來(lái)數(shù)字圖像信號(hào)處理與傳輸技術(shù)正在迅猛發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理與傳輸技術(shù)。目前，“信息高速公路”成了發(fā)達(dá)國(guó)家的熱門(mén)課題，其中數(shù)字圖像處理技術(shù)則成為它的極其重要的部分。而且，數(shù)字圖像處理技術(shù)還與當(dāng)前乃至21 世紀(jì)的一些關(guān)鍵電子技術(shù)及電子

3、產(chǎn)品密切相關(guān)。目前數(shù)字圖像處理技術(shù)幾個(gè)引人矚目的高科技領(lǐng)域包括：1 高清晰度電視 (HDTV)高清晰度電視是當(dāng)今國(guó)際高科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)之一，占領(lǐng)這個(gè)制高點(diǎn)者，必將擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前主要有兩種發(fā)展模式：一是日本、西歐等國(guó)家在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良；二是美國(guó)推出的全數(shù)字 HDTV，1992 年美國(guó)推出了 4 種全數(shù)字 HDTV，它們的關(guān)鍵技術(shù)是在視頻圖像信號(hào)處理上采用最先進(jìn)的信源圖像壓縮編碼技術(shù)。然而，其價(jià)格上分昂貴，難以真正商品化。這種狀況的豐要原因是壓縮編碼方法的效率不高。2商業(yè)電子化20 世紀(jì) 90 年代，由于美國(guó)商品零售業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的零售連鎖集團(tuán)，它憑借現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)管理信息系

4、統(tǒng)所帶來(lái)的零庫(kù)存、低成本和低售價(jià)，迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為美國(guó)商品零售業(yè)的首批巨人?！斑@種商業(yè)電子化”大市場(chǎng)吸引著越來(lái)越多的創(chuàng)業(yè)者、高科技公司，以致一些世界性大公司紛紛涉足于這一領(lǐng)域。商業(yè)零售業(yè)作為市場(chǎng)流通的樞紐與各行各業(yè)密切相關(guān)，它使得商業(yè)電子化成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅僅使商場(chǎng)收款機(jī)電子化，而且它還使商場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化、貨幣支付電子化甚至訂貨電子化等。在商業(yè)電子化過(guò)程中，商品信息的處理、存儲(chǔ)與傳輸是十分重要的環(huán)節(jié)。3可視電話目前，國(guó)內(nèi)外已有成型的產(chǎn)品，然而，它仍需占用較多通信線路，而且自身造價(jià)昂貴，其主要原因是圖像壓縮技術(shù)的壓縮倍數(shù)尚不能滿(mǎn)足要求，因此要使可視電話真正商品化，必須在圖像壓縮技術(shù)方面

5、有新的突破才能實(shí)現(xiàn)。4多媒體技術(shù)多媒體是指文 (text) 、圖 (image) 、聲 (audio) 、像 (video) 與計(jì)算機(jī)程序融合在一起形成的信息存儲(chǔ)和傳播媒體。它是近期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，我們過(guò)去熟悉的聲、圖、像等媒體幾乎是以模擬信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸?shù)?，而多媒體卻是以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和傳播的。目前多媒體的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用趨勢(shì)，大致可分為三類(lèi)：一是具有編輯和播放和雙重功能的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適合于專(zhuān)業(yè)人員制作多媒體軟件產(chǎn)品；二是主要以具備交互播放功能為主的教育培訓(xùn)系統(tǒng)；三是主要用于家庭娛樂(lè)和學(xué)習(xí)的家用多媒體系統(tǒng)?？梢?jiàn)，多媒體的潛力和應(yīng)用前景是非常廣闊的。在多媒體技術(shù)中，數(shù)字圖像處理技術(shù)

6、起著關(guān)鍵性的作用。5醫(yī)用圖像處理技術(shù)以“圖像重選”技術(shù)為中心的醫(yī)用圖像處理技術(shù)日趨發(fā)展。目前，以醫(yī)用超聲成像、 x 光造影像、 X 光斷影成像、 CT掃描、核磁共振斷層成像技術(shù)等為基礎(chǔ)的醫(yī)用圖像處理技術(shù)，將為醫(yī)學(xué)界實(shí)現(xiàn)“將人體變?yōu)橥该黧w”的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，其中，數(shù)字圖像壓縮處理技術(shù)是關(guān)鍵部分。圖像采集處理系統(tǒng)主要包括圖像采集和圖像處理兩大部分。一般圖像處理都是采用通用的或?qū)Ｓ玫?DSP芯片， TI 和 ADI 公司是提供通用的 DSP芯片的兩個(gè)主要公司，每一個(gè)公司都推出了浮點(diǎn)和定點(diǎn)通用 DSP芯片，不僅如此，還針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，推出了眾多系列的 DSP芯片。比如 TI 公司推出了適合音頻和視頻處

7、理的 C5000和 C6000系列的 DSP芯片，另外，還根據(jù)各種終端設(shè)備的特點(diǎn)，推出了 TMS320DSC21、TMS320DSC25、 TMS320DM310和 TMS320DM64等 DSP芯片。TI 解決方案可以幫助許多消費(fèi)類(lèi)商品，例如攝錄像機(jī)、電子書(shū)、 MPEG-4播放機(jī)錄制機(jī)、相片打印機(jī)、便攜式網(wǎng)上視頻家電、影片光盤(pán)柜、聯(lián)網(wǎng)機(jī)和無(wú)線相機(jī)。以 TI 的 DSP芯片為基礎(chǔ)的數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)方框圖如圖8-1 所示。2 圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用在很多場(chǎng)合，尤其在生物識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛，木節(jié)主要就是以 Tl DSP 芯片構(gòu)建的生物識(shí)別系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹該類(lèi)圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

8、和特點(diǎn)。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作流程一個(gè)基本的生物識(shí)別系統(tǒng)如圖8-2 所示，它必須包含幾個(gè)基本部件：1信號(hào)采集部分它主要是將生物特征信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳給系統(tǒng)。它可能是圖像信號(hào)，如虹膜圖像、掌紋圖像、指紋圖像，也可能是采樣信號(hào)，如采樣人的語(yǔ)音。但在大多數(shù)生物識(shí)別系統(tǒng)中信號(hào)采集部分轉(zhuǎn)化出來(lái)都是圖像信號(hào)。本章介紹的也是基于圖像信號(hào)采集的識(shí)別系統(tǒng)。2處理部分處理部分通常是一個(gè)高性能的CPU。它是整個(gè)生物識(shí)別系統(tǒng)的核心。它不僅儀要完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，特別是 I O 部分的控制，以達(dá)到系統(tǒng)整體的要求。3RAM部分生物識(shí)別系統(tǒng)中一般都有 RAM部分，主要基于兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)：首先，

9、生物識(shí)別系統(tǒng)中速度是一個(gè)重要指標(biāo)。程序在 RAM里面運(yùn)行比在存儲(chǔ)器里運(yùn)行速度要快得多。其次，生物識(shí)別系統(tǒng)中采集的圖像往往比較大，而且算法所要求的 RAM空間也比較大。而 CPU內(nèi)部的 RAM往往不能達(dá)到這個(gè)要求。4存儲(chǔ)部分存儲(chǔ)部分主要存儲(chǔ)兩個(gè)部分的內(nèi)容：一是系統(tǒng)的程序；二是生物特征模板。存儲(chǔ)空間的大小也主要取決于這兩個(gè)部分的要求。特別是生物特征模板的大小，如果系統(tǒng)要求存儲(chǔ)的人員越多，存儲(chǔ)空間要求也就越大。5I O輸入輸出接口部分I O部分主要是完成系統(tǒng)功能要求。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)/O 的要求也不一樣。在考勤領(lǐng)域，就要求I O具有液晶顯示的功能。6通信接口部分在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，就要求生物識(shí)別系統(tǒng)

10、具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能；在門(mén)禁應(yīng)用領(lǐng)域，就要求系統(tǒng)具有串行通信 (RS485、RS232)的功能。7電源部分脫機(jī)系統(tǒng)由于它應(yīng)用場(chǎng)合的限制，大多對(duì)電源有嚴(yán)格的限制，主要是要求節(jié)電。而生物識(shí)別系統(tǒng)基本上都是使用高性能的 CPU，而它們對(duì)電源系統(tǒng)也有嚴(yán)格的要求，主要是要求電源穩(wěn)定、干擾小。生物識(shí)別系統(tǒng)的工作流程基本上可以分成兩個(gè)部分：(1) 生物特征的采集和存儲(chǔ)。用戶(hù)通過(guò) I O通知系統(tǒng)開(kāi)始生物特征的采集和存儲(chǔ)，處理器則通過(guò)采集器采集生物特征信號(hào)，再通過(guò)算法處理看是否能夠轉(zhuǎn)換成特征模板存儲(chǔ)在存儲(chǔ)空間內(nèi)。在很多情況下，為了保證特征模板的質(zhì)量，處理器會(huì)采集好幾次生物特征信號(hào)來(lái)生成特征模板。 工作完成后， 處

11、理器會(huì)通過(guò) I O通知用戶(hù)。(2) 身份識(shí)別。但用戶(hù)需要身份識(shí)別的時(shí)候，則通過(guò) I O通知處理器。處理器首先通過(guò)采集器采集用戶(hù)的特征信號(hào)，然后用識(shí)別算法轉(zhuǎn)化成特征值，再與存儲(chǔ)器里面的特征模板比對(duì)。如果相似度大于一定的值，則認(rèn)為是身份識(shí)別正確，否則，身份識(shí)別錯(cuò)誤。通常圖像采集處理系統(tǒng)有以下幾個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)：1 圖像采集時(shí)間通常圖像采集有AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)部分，圖像采集時(shí)間包括A D轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。為了提高圖像采集時(shí)間，采用高速 A D轉(zhuǎn)換芯片和高速串行接口。 TI 和 ADI 公司都提供了高速的 AD轉(zhuǎn)換芯片， 此類(lèi)芯片大多提供并口和 SPI 之類(lèi)的數(shù)據(jù)傳輸接口。2圖像處理時(shí)間圖像處理時(shí)間是指系統(tǒng)從采集完一個(gè)完整圖像到運(yùn)算處理完圖像所經(jīng)過(guò)的一段時(shí)間。在流媒體的圖像采集處理系統(tǒng)中對(duì)每幀圖像的處理速度直接影響到系統(tǒng)性能，所以在此類(lèi)產(chǎn)品中通常采用高性能的微處理器。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識(shí)別系統(tǒng)為例，對(duì)一幅完整的圖像處理時(shí)間 ( 通常是圖像特征值處理和比對(duì)時(shí)間之和 ) 有十分嚴(yán)格的要求。3 存儲(chǔ)容量有些圖像采集處理系統(tǒng)需要存儲(chǔ)一定的圖像數(shù)據(jù)，如數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識(shí)別系統(tǒng)為例，能夠存儲(chǔ)大量生物體樣本特征值是個(gè)重要的指標(biāo)。4RAM空間圖像采集處理器的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，占用的數(shù)據(jù)空間達(dá)到幾兆。在所有圖像采集處理系統(tǒng)中，