小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - I - 摘 要 應(yīng)用TMS320C6414數(shù)字信號處理器的圖像視頻處理算法的開發(fā)平臺，采用該系統(tǒng) 提供的硬件和軟件，通過與大規(guī)模的可編程邏輯陣列FPGA的共同使用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可 滿足系統(tǒng)需要的高實(shí)時(shí)性，良好的擴(kuò)展性和多擴(kuò)展接口等要求的多DSP紅外實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)以FPGA為數(shù)據(jù)采集邏輯控制單元,采集的視頻數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，用DSP控制 實(shí)現(xiàn)了多種電視制式信號圖像數(shù)據(jù)采集，討論了數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)，圖像目標(biāo)的實(shí)時(shí) 數(shù)字圖像處理和圖像的顯示，重點(diǎn)介紹了實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的硬件組成,工作原理和 圖像處理算法的應(yīng)用，采用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻信號數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)處理,可提高系統(tǒng)性能,同時(shí)具 有適應(yīng)性與靈活性強(qiáng),設(shè)計(jì)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 數(shù)字圖像處理，可編程邏輯器件，數(shù)字信號處理器 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - II - Abstract Hardly with the TMS320C6414 digital signal processor image/video frequency processing algorithm development platform, uses the hardware and the software which this system provides, through with the large-scale programmable logic device FPGA together use, designed and realizes has been possible to satisfy the high timeliness which the system needed, good request and so on extension and multi-expansion connection multi-DSP infrared real-time processing systems. This system take FPGA as the data acquisition logic control unit, the gathering video frequency digital image carries on the pretreatment, controlled with DSP has realized many kinds of television service pattern signal image data gathering, discussed the data acquisition part structure, image goal real-time digital image processing and the image demonstration, introduced with emphasis the real-time digital image processing system hardware composition, the principle of work and the imagery processing algorithm application, used the FPGA realization video signal data real-time pretreatment, might enhance the system performance, simultaneously had the compatibility and flexible, merits and so on design, debugging convenience. Key Words digital image processing, field programmable gate array, data signal processor 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - III - 目 錄 摘 要I Abstract.II 第 1 章 引言.1 1.1 數(shù)字圖像處理.1 1.1.1 數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史1 1.1.2 數(shù)字圖像處理的基本特點(diǎn)2 1.1.3 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用2 1.1.4 圖像處理的意義4 第 2 章 論證方案及圖像變換方法.5 2.1 系統(tǒng)方案.5 2.1.1 方案一5 2.1.2 方案二5 2.2 圖像變換的主要方法及應(yīng)用.6 2.2.1 傅立葉變換在圖像處理中的應(yīng)用6 2.2.2 小波變換在圖像處理中的應(yīng)用7 第 3 章 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn).9 3.1 數(shù)字圖像處理的研究9 3.1.1 數(shù)字圖像處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9 3.1.2 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容9 3.2 DSP 系統(tǒng)研究10 3.2.1 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成.11 3.2.2 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì).11 3.2.3 DSP 系統(tǒng)的特點(diǎn).13 3.2.4 DSP 的發(fā)展.14 3.3 可編程 DSP 芯片 16 3.3.1 DSP 芯片的分類.16 3.3.2 DSP 芯片的選擇.16 3.3.3 DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域.18 3.3.4 DSP 的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā).19 3.4 現(xiàn)場可編程門陣列.19 3.4.1 FPGA 的分類20 3.4.2 FPGA 的基本結(jié)構(gòu)21 3.4.3 FPGA 的發(fā)展及應(yīng)用.21 3.5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要性能指標(biāo).22 3.5.1 視頻板電路設(shè)計(jì)23 3.5.2 TMS320C64X 和接口設(shè)計(jì) 24 3.6 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu).25 3.6.1 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)26 3.6.1.1 預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)26 3.6.1.2 圖像處理模塊設(shè)計(jì)27 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - IV - 3.6.1.3 圖像輸出模塊設(shè)計(jì)28 結(jié) 論.29 致 謝.30 參考文獻(xiàn).31 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 1 - 第 1 章 引言 1.1 數(shù)字圖像處理 從 20 世紀(jì) 60 年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得了飛 躍的發(fā)展。所謂數(shù)字圖像處理，就是利用計(jì)算機(jī)或其他高速，大規(guī)模集成數(shù)字硬件，對 從圖像信息換來的數(shù)字電信號進(jìn)行某些數(shù)字運(yùn)算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量或達(dá)到人 們所預(yù)期的結(jié)果，因此也稱為計(jì)算機(jī)圖像處理。如對被噪聲污染的圖像除去噪聲，對信 息微弱的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，對失真的圖像進(jìn)行幾何校正，從犯罪現(xiàn)場提供指紋特征， 對數(shù)據(jù)量過大的圖像進(jìn)行壓縮編碼，本次設(shè)計(jì)中主要研究對小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)圖像的處理。 1.1.1 數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史 早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為 目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像 處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。首次獲得實(shí)際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進(jìn) 實(shí)驗(yàn)室（JPL） 。他們對航天探測器徘徊者7號在1964年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藞D像 處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽位置和月 球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。隨后又對探 測飛船發(fā)回的近十萬張照片進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，以致獲得了月球的地形圖、彩色 圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也推動了數(shù) 字圖像處理這門學(xué)科的誕生。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的 X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT1（Computer Tomograph） 。CT的 基本方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。 1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖 像。1979年，這項(xiàng)無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，說明它對人類作出了跨時(shí)代的貢獻(xiàn)。 與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就，屬 于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測、機(jī)器人視覺、公安司法、軍事制 導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處理成為一門引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。隨著圖像處理 技術(shù)的深入發(fā)展，人們已開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng) 理解外部世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。很多國家，特別是發(fā)達(dá)國家投入更多 的人力、物力到這項(xiàng)研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末 MIT的Marr提出的視覺計(jì)算理論，這個(gè)理論成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。 圖像理解雖然在理論方法研究上已取得不小的進(jìn)展，但它本身是一個(gè)比較難的研究領(lǐng)域， 存在不少困難，因人類本身對自己的視覺過程還了解甚少，因此計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)有待 人們進(jìn)一步探索的新領(lǐng)域。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 - 1.1.2 數(shù)字圖像處理的基本特點(diǎn) 數(shù)字圖像處理就是把在空間上離散的，在幅度上量化分層的數(shù)字圖像，經(jīng)過一些特 定數(shù)理模式的加工處理，以達(dá)到有利于人眼或某種接受系統(tǒng)所需要的圖像的過程，主要 有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)： （1）信息量大，處理速度快 目前，數(shù)字圖像處理的信息大多是二維信息，處理信息量很大。例如，一幅 256256 低分辨率黑白圖像，要求約 64kbit 的數(shù)據(jù)量；對高分辨率彩色 512512 圖像， 則要求 768kbit 數(shù)據(jù)量。因此對計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，存儲容量等要求很高。 （2）占用的頻帶較寬 與語言信息相比，數(shù)字圖像占用的頻帶要大幾個(gè)數(shù)量級。如電視圖像的帶寬約 5.6MHz，而語言帶寬僅為 4kHz 左右。所以數(shù)字圖像在成像、傳輸、存儲、處理、顯示等 各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)觀上，技術(shù)難度較大，成本亦高，這就對頻帶壓縮技術(shù)提出了更高的要求。 （3）數(shù)字圖像中各個(gè)像素間的相關(guān)性大，壓縮的潛力大 在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫面而言，同一行中 相鄰兩個(gè)像素或相鄰兩行間的像素，其相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.9 以上，而相鄰兩幀之間的相關(guān)性 比幀內(nèi)相關(guān)性一般說還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。 （4）圖像質(zhì)量中各個(gè)像素評價(jià)受主觀因素的影響 數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察個(gè)評價(jià)的，因此受人的主觀因素影響較大。 由于人的視覺系統(tǒng)很復(fù)雜，受環(huán)境條件、視覺性能、人的情緒、愛好以及知識狀況影響 很大，作為圖像質(zhì)量的評價(jià)還有待深入的研究。另一方面，計(jì)算機(jī)視覺是模仿人的視覺， 人的感知機(jī)理必然影響著計(jì)算機(jī)的視覺的研究。 （5）圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng) 在數(shù)字圖像處理過程中涉及的基礎(chǔ)知識和專業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛。一般來說涉及通信技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)、至于涉及到的數(shù)學(xué)、物理學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識 就更多了。 當(dāng)今的圖像處理理論大多是通信理論的推廣，把通信中的一維問題推廣到二維，以 便于分析，在此基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展自己的理論體系。因此，圖像處理技術(shù)與通信技術(shù)密 切相關(guān)。 在圖像處理工程中的信息獲取和顯示技術(shù)主要來源于電視技術(shù)，其中的攝像、顯示、 同步等各項(xiàng)技術(shù)必不可少。 計(jì)算機(jī)已是圖像處理的常規(guī)工具，在圖像處理中涉及到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口等 多項(xiàng)技術(shù)，特別是并行處理技術(shù)在實(shí)時(shí)圖像處理中顯得十分重要2。 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 3 - 1.1.3 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及數(shù)字處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理 在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、國防以及現(xiàn)代管理決策等各行各業(yè)都得到越來越多的應(yīng)用，其 場合廣闊、內(nèi)容眾多、形式新穎、門類齊全、真可以說方興未艾，正向著實(shí)時(shí)化、大/小 型化、遠(yuǎn)程化等方面迅速發(fā)展，具體應(yīng)用有如下幾個(gè)方面： （1）醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用十分廣泛，B 型超聲、X-CT、放射性同位素掃描 以及核磁共振成像，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的四大影像技術(shù)，其系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)臨床上。這 些系統(tǒng)通過有規(guī)律地發(fā)射超聲波，再接收從人體反射回來的聲信號，由此形成灰度聲像 圖。這種醫(yī)療設(shè)備具有對人體無損傷、靈敏度高、重復(fù)性好、易于鑒別軟組織等優(yōu)點(diǎn)， 而且價(jià)格較低，因此發(fā)展很快。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）是以多個(gè) X 個(gè)射線的投影來獲得 穿過人體內(nèi)部的 X 射線密度值，由此形成人體截面圖像并重建出人體內(nèi)部的立體圖像。 美國的 G.NHounsfield 在 1971 年安裝了第一臺腦 CT，1979 年獲得諾貝爾獎，其影響是很大的。 配接 X 光機(jī)的圖像處理系統(tǒng)可進(jìn)行導(dǎo)管定標(biāo)，血管造影及血管動態(tài)分析。通過對 X 光圖 像的處理，如關(guān)節(jié)等部分的細(xì)節(jié)不再難以分辨，人體內(nèi)的膽結(jié)石也可以清楚地顯示在電 視屏幕上。除上述應(yīng)用之外， 照相機(jī)也是醫(yī)學(xué)圖像處理的一個(gè)應(yīng)用。首先在人體內(nèi)注 入放射性元素，再由探測器接收由人體內(nèi)發(fā)射出來的 離子，以同一位置離子的累加數(shù) 作為該位置的灰度值，由此形成 圖像，再通過圖像處理來診斷人體各個(gè)器官的功能， 這種系統(tǒng)尤其適用于心脹功能的檢查。在顯微鏡上配上圖像處理系統(tǒng)，就構(gòu)成了一個(gè)基 本的顯微醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)，其中，白血球和紅血球自動計(jì)數(shù)機(jī)，血液病診斷儀，染色 體分析系統(tǒng)都已經(jīng)成功地應(yīng)用于臨床診斷上。 （2）工業(yè)自動化，工業(yè)檢測方面的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理技術(shù)在工業(yè)自動化，工業(yè)檢測方面的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。利用圖像處理 技術(shù)，可以進(jìn)行器件的內(nèi)結(jié)構(gòu)分析，失效分析和可靠性篩選。在制造電容的過程中，人 眼直接看不到鈕電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而依靠圖像處理技術(shù)，就可以清楚地再現(xiàn)鈕電容的內(nèi) 部圖，里面斷焊，阻焊的毛病也便于診斷了。在毛紡廠，采用圖像處理技術(shù)，不但可以 檢測出紡織品中存在的孔洞等方面的明顯缺點(diǎn)，還可以檢測出它在紋理，圖案方面的毛 病。利用圖像壓縮傳輸技術(shù)，可以把一個(gè)火車事故現(xiàn)場及時(shí)地顯示在遠(yuǎn)方的指揮中心的 顯示屏上，從而，可有效地提高排除故障的速度。 （3）公安方面的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理技術(shù)在公安方面的應(yīng)用有兩個(gè)突出的成果，即指紋的查詢、識別以及 人像組合、查詢和識別。由于人的指紋具有唯一性，因此可用來作為身份的鑒別。把現(xiàn) 場收集到的指紋錄計(jì)算機(jī)，提取指紋的特征后再和指紋庫里的指紋進(jìn)行比對，就可以提 供破案的線索。指紋識別也可用于出入海關(guān)的身份檢驗(yàn)及指紋密碼鎖等方面，指紋印鑒 已用于銀行業(yè)。用模擬畫像來協(xié)助破案古有而之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī) 人像組合技術(shù)。它是根據(jù)目擊者的描述，由計(jì)算機(jī)用不同的人面像部件來組合出嫌疑人 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 4 - 的人面像進(jìn)而協(xié)助破案。隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，利用由目擊者的記憶組合出的 嫌疑人人面像，可以實(shí)現(xiàn)本地的查詢識別，也可以實(shí)現(xiàn)異地的查詢識別。 （4）軍事方面的應(yīng)用 現(xiàn)代戰(zhàn)爭里，數(shù)字圖像處理技術(shù)極為重要。例如將來自衛(wèi)星的圖像用于軍事偵察， 以地形匹配實(shí)現(xiàn)精確轟炸，以相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)跟蹤等等，其中，除了對算法本身有 很高的要求以外，其圖像處理的速度是至關(guān)重要的。對于溫度敏感的紅外圖像，軍事部 門是高度重視的，其應(yīng)用也是多種多樣的。 （5）通信工程方面的應(yīng)用 當(dāng)前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)等多媒體通信。具體地講，是 將電話，電視和計(jì)算機(jī)以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通信網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通信最為復(fù) 雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達(dá) 100Mbit/s 以上，要 將這樣高速率的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送出去，必須采用壓縮編碼技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。在一定意 義上講，壓縮編碼是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。 （6）文字識別的應(yīng)用 文字識別方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。信函分檢機(jī)要對手寫的數(shù)字 0-9 進(jìn) 行高速的識別，這種機(jī)器早已裝備到了郵電部門?，F(xiàn)在，一本書也可以快速地錄入計(jì)算 機(jī)，這不是敲鍵盤手工錄入的，而是靠中英文識別技術(shù)用掃描儀快速輸入的。依靠這種 技術(shù)，盲人可以閱讀，報(bào)表可以自動統(tǒng)計(jì)，文檔可以自動分類存檔，這對于辦公室自動 化是很有 意義的。 （7）電子商務(wù)方面的應(yīng)用 當(dāng)前呼聲很高的電子商務(wù)中，圖像處理技術(shù)也大有可為，如身份認(rèn)證、產(chǎn)品防偽、 水印技術(shù)等。 總之，數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用還可列出很多，它在國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、日常生 活中起著越來越重要的作用3。 1.1.4 圖像處理的意義 數(shù)字圖像處理（digital image processing）是用計(jì)算機(jī)對圖像信息進(jìn)行處理的一門技術(shù)， 使利用計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行各種處理的技術(shù)和方法。20 世紀(jì) 20 年代，圖像處理首次得到應(yīng) 用。20 世紀(jì) 60 年代中期，隨電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展得到普遍應(yīng)用。60 年代末，圖像處理技 術(shù)不斷完善，逐漸成為一個(gè)新興的學(xué)科。利用數(shù)字圖像處理主要是為了修改圖形，改善 圖像質(zhì)量，或是從圖像中提起有效信息，還有利用數(shù)字圖像處理可以對圖像進(jìn)行體積壓 縮，便于傳輸和保存。數(shù)字圖像處理主要研究以下內(nèi)容：傅立葉變換、小波變換等各種 圖像變換；對圖像進(jìn)行編碼和壓縮；采用各種方法對圖像進(jìn)行復(fù)原和增強(qiáng)；對圖像進(jìn)行 分割、描述和識別等。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理主要應(yīng)用于通訊技術(shù)、宇宙探索 遙感技術(shù)和生物工程等領(lǐng)域。數(shù)字圖像處理因易于實(shí)現(xiàn)非線性處理，處理程序和處理參 數(shù)可變，故是一項(xiàng)通用性強(qiáng)、精度高、處理方法靈活、信息保存、傳送可靠的圖像處理 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 5 - 技術(shù)。主要用于圖像變換、量測、模式識別、模擬以及圖像產(chǎn)生。廣泛應(yīng)用在遙感、宇 宙觀測、影像醫(yī)學(xué)、通信、刑偵及多種工業(yè)領(lǐng)域。 第 2 章 論證方案及圖像變換方法 2.1 系統(tǒng)方案 2.1.1 方案一 多 DSP 紅外實(shí)時(shí)處理機(jī)系統(tǒng)用于對紅外目標(biāo)的搜尋，檢測和跟蹤，可以實(shí)時(shí)地從熱 像儀讀入并行的數(shù)字圖像信號，對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理從而檢測和跟蹤目標(biāo)，并將目標(biāo)的 位置和運(yùn)動信息輸出。 紅外實(shí)時(shí)處理機(jī)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：預(yù)處理模塊，圖像處理模塊和圖像輸出模 塊，系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示，各模塊作用如下： 預(yù)處理模塊圖像處理模塊圖像輸出模塊 圖 2.1 多 DSP 紅外實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)系統(tǒng) （1）預(yù)處理模塊 通過安裝在小區(qū)道路旁邊或者中間隔離帶的支架上的紅外線攝像機(jī)和圖像采集設(shè)備 將實(shí)時(shí)的人的視頻信息采入，經(jīng)過對視頻圖像的實(shí)時(shí)處理分析得到本小區(qū)信息。 （2）圖像處理模塊 視頻處理模塊是系統(tǒng)的核心部分，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有人走過的信息時(shí)，本系統(tǒng)就會捕 捉此時(shí)的圖像，并將此圖像進(jìn)行進(jìn)行分析處理，得到我們需要的清晰的圖像，為避免同 時(shí)存儲利用片外存儲器和讀取緩存中的原始視頻圖像而帶來的總線沖突問題，系統(tǒng)采用 了乒乓緩存的方式采集視頻圖像。 （3）圖像輸出模塊 當(dāng)出現(xiàn)特定的事件時(shí)，傳輸模塊會接受到處理部分發(fā)出的中斷信號，此時(shí)壓縮模塊 凍結(jié)壓縮圖像的更新，并且釋放了對緩沖 RAM 總線的控制權(quán)，傳輸模塊將緩沖區(qū)的 圖像讀出，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 6 - 2.1.2 方案二 高頻加重處理常用于簡單數(shù)字圖像處理，通過視頻輸入對被測對象進(jìn)行加重處理， 目的是使被測對象更加清晰可見，然后將被測對象進(jìn)行輸出。 高頻加重處理系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成分別是視頻輸入模塊，高頻加重處理模塊和 圖像輸出模塊，系統(tǒng)框圖如圖2.2所示，各模塊作用如下： 視頻輸入模塊高頻加重模塊圖像輸出模塊 圖2.2 高頻加重系統(tǒng)示意圖 （1）視頻輸入模塊 視頻輸入模塊主要完成對圖像信號的采集，但此模塊不能對干擾的信號進(jìn)行控制。 （2）高頻加重模塊 高頻加重模塊主要完成對采集過來的高頻信號進(jìn)行加重處理，目的是使圖像更加清 晰可見，但加重的同時(shí)也會對干擾信號進(jìn)行加重，并不會排除干擾信號，這樣對圖像處 理就增加難度。 （3）圖像輸出模塊 在完成加重處理后此模塊即可向視頻輸出設(shè)備輸出采集到的信號。 因此，在兩種方案系統(tǒng)中選用多DSP紅外實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)系統(tǒng)作為該設(shè)計(jì)的方案，用 此系統(tǒng)完成對小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究。 2.2 圖像變換的主要方法及應(yīng)用 在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中有許多種變換，比如傅立葉變換、小波變換、離散余弦變換（DCT） 、 拉普拉斯變換、Z變換等。各種數(shù)學(xué)變換的用途只有一個(gè)，是使所遇到的問題能夠更容易 更方便地得到解決。 在所有的圖像變換方法中，傅立葉變換是數(shù)字圖像處理中應(yīng)用最廣的一種變換，具 有非常實(shí)用的獨(dú)特性質(zhì)。而近幾年來，小波變換倍受學(xué)術(shù)界的重視，它不僅在數(shù)學(xué)上已 形成一個(gè)新的分支，而且在應(yīng)用上，如在信號處理、圖像處理、模式識別、量子物理以 及許多非線性科學(xué)領(lǐng)域，被認(rèn)為是近年來在分析工具及方法上的重大突破。原則上講， 凡傳統(tǒng)的使用傅立葉分析的方法，都可以用小波分析來代替。小波分析在時(shí)域和頻域都 具有良好的局部化特性，而且由于對高頻采取逐漸精細(xì)的時(shí)域或空域步長，從而可以聚 焦到分析對象的任意細(xì)節(jié)4。 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 7 - 2.2.1 傅立葉變換在圖像處理中的應(yīng)用 我們知道，經(jīng)過傅立葉變換之后，可以獲得原圖像信號的頻域分布情況。由于圖像 中不同特性的像素具有不同的頻域特性，因此，可以在頻域上設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器，以達(dá) 到濾除某些信息，或者保留某些信息的目的。另外，因?yàn)楦盗⑷~變換后，時(shí)域與頻域形 成了對偶運(yùn)算關(guān)系，因此通過傅立葉變換也可以達(dá)到某些運(yùn)算的簡化目的，具體應(yīng)用有 如下幾個(gè)方面： （1）圖像的高通濾波 圖像的頻域變換有一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以將信號的信息強(qiáng)度進(jìn)行重新分配。 具體地說，就是將景物的細(xì)節(jié)部分集中在高頻區(qū)段。因此，可以通過圖像高通濾波將圖 像中景物的細(xì)節(jié)信息提取出來。這里所謂景物細(xì)節(jié)是指目標(biāo)物的邊界信息。 例如對頻譜圖中的低頻強(qiáng)制為0，這樣就相當(dāng)于一個(gè)只保持高頻部分信息不變，而低 頻信息被完全抑制的高通濾波器作用在圖像上。將經(jīng)過這樣處理后的頻譜進(jìn)行傅立葉變 換，就可以得到圖像的細(xì)節(jié)部分，因此經(jīng)過高通濾波后，保留下來的圖像信息為被測對 象的輪廓邊界，濾除了不必要的信息。 （2）圖像的低通濾波 圖像經(jīng)過傅立葉變換后，將被測對象的概貌部分集中在低頻區(qū)段。因此，可以通過 圖像低通濾波將圖像中被測的概貌信息提取出來。 例如將頻譜圖中的高頻強(qiáng)制為0，即屏蔽高頻部分，這樣就相當(dāng)于一個(gè)只保持低頻部 分信息不變，而高頻信息被完全抑制的低通濾波器作用在圖像上，將經(jīng)過這樣處理后的 頻譜進(jìn)行傅立葉逆變換，就可以得到被測圖像的概貌部分，但是經(jīng)過低通濾波之后，保 留下來的圖像信息是比原圖略顯模糊的圖像，這是因?yàn)閳D像中表示被測對象邊界的高頻 部分被濾除的原因。 （3）傅立葉在圖像壓縮中的應(yīng)用 圖像信息在空域中是依據(jù)被測對象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布的。換句話說，其信息強(qiáng)度分布 在各個(gè)不同的區(qū)域中。因?yàn)樾畔?qiáng)度的不集中，所以如果不采用特殊的編碼方式，則無 法減少描述圖像的數(shù)據(jù)量。如果對圖像進(jìn)行傅立葉變換，則圖像信息在頻域中大多集中 在低頻 部分。充分利用圖像信息在頻域中的這一特點(diǎn)，則可以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量。 因?yàn)槿嗽趯D像進(jìn)行觀察時(shí)，如果圖像的概貌可以呈現(xiàn)在面前，則可以達(dá)到理解圖 像內(nèi)容的目的。因此，在不過于苛刻地計(jì)較圖像的再現(xiàn)質(zhì)量的場合下，可以通過只對圖 像傅立葉變換后頻譜的低頻部分進(jìn)行編碼的方法，達(dá)到減少圖像數(shù)據(jù)量的目的。 例如對一幅256256的圖像經(jīng)過傅立葉變換后，得到兩個(gè)256256的頻譜矩陣（一 個(gè)為幅頻特性矩陣，一個(gè)為相頻特性矩陣） 。如果原圖像的數(shù)據(jù)量為256256，取頻譜中 未被覆蓋的那部分低頻區(qū)域，為2020大小的解壓圖像的區(qū)域進(jìn)行編碼，可以獲得理解 場景內(nèi)容為目的的圖像再現(xiàn)效果。這時(shí)，圖像的數(shù)據(jù)量為22020，是原數(shù)據(jù)量的 1.22%（=（22020）/（256256） ） ，這樣便達(dá)到了圖像壓縮的目的5。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 8 - 2.2.2 小波變換在圖像處理中的應(yīng)用 小波變換因其突出的時(shí)頻變換特性，以及小波基函數(shù)選擇的靈活性，在圖像處理中 有著多個(gè)方面的廣泛應(yīng)用，具體應(yīng)用有如下幾個(gè)方面： （1）小波變換在圖像壓縮中的應(yīng)用 從小波變換所具有的頻域特性來理解，我們從傅立葉變換得到啟示，就是圖像的數(shù) 據(jù)信息大多集中在低頻部分，而高頻部分的信息很弱，對人眼視覺的影響也小，一幅圖 像經(jīng)過一次小波變換之后，概貌信息大多集中在低頻部分，而其余部分只有很弱的表示 細(xì)節(jié)的信息。為此，如果只保留占總數(shù)據(jù)量1/4的低頻部分，對其余3部分的系數(shù)不存儲或 傳輸，在解壓時(shí)，這三個(gè)子塊的系數(shù)以0來替代，則在解壓圖像中可以看到省略了部分細(xì) 節(jié)信息之后，畫面的效果與原圖相比，差別不是很大。 （2）小波變換在圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用 小波變換用于圖像增強(qiáng)的原理是，對原圖像進(jìn)行小波變換，得到的小波變換系數(shù)矩 陣分別表示的是不同的頻率特性。為此，一個(gè)簡單的圖像增強(qiáng)方法是，對低頻、次低頻、 次高頻、高頻四個(gè)子塊以不同的增強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行處理，再進(jìn)行小波逆變換之后，就可以達(dá) 到圖像增強(qiáng)的目的。例如，對低頻子塊以大于1的增強(qiáng)系數(shù)相乘，則可以提高圖像的總體 亮度，對其他三個(gè)子塊進(jìn)行增強(qiáng)，則可以增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)信息，由此可獲得清晰化圖像 的效果。 （3）小波變換在去除圖像噪聲中的應(yīng)用 利用小波變換去除噪聲的原理是，噪聲大多屬于高頻信息，因此，當(dāng)進(jìn)行小波變換 之后，噪聲信息大多集中在次低頻，次高頻，以及高頻子塊中，當(dāng)給出了一個(gè)疊加了高 斯噪聲經(jīng)過小波變換后，特別是高頻子塊，幾乎以噪聲信息為主，為此，將高頻子塊置 0，對次低頻和次高頻子塊進(jìn)行一定的抑制，則可以達(dá)到一定的噪聲去除效果。 為了使噪聲去除的效果更好，可以對不同尺度小波變換下的次低頻、次高頻、高頻 子塊進(jìn)行抑制，保留低頻子塊的信息不改變，便可以對圖像噪聲進(jìn)行很好的去除6。 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 9 - 第 3 章 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)字圖像算法的復(fù)雜性和計(jì)算量也飛速增 長，同時(shí)對數(shù)字圖像處理系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求也越來越高。對于數(shù)字圖像處理，雖然不 斷有人提出各種優(yōu)化后的算法，然而其運(yùn)算量之大仍然達(dá)到驚人的程度；而對于數(shù)字信 號處理器（DSP）而言，雖然其硬件性能在不斷取得突破，如TI最新推出了1GHz的定點(diǎn) C64X的DSP，AD公司推出了600MHz的TigerSharc系列浮點(diǎn)DSP，但面對圖像處理算法超 大的運(yùn)算量單DSP仍然難以負(fù)荷，因而對復(fù)雜的圖像處理算法進(jìn)行分塊并且在硬件系統(tǒng)上 采取多DSP并行處理的方法勢在必行。 本次設(shè)計(jì)提出了一種以多片TMS320C6414為圖像處理單元，采用EMIF與HPI及 McBSP接口互連構(gòu)成串行級聯(lián)的多DSP并行流水處理平臺，通過與大規(guī)模的可編程邏輯器 件FPGA的共同使用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了滿足系統(tǒng)需要的高實(shí)時(shí)性且良好的擴(kuò)展性和多擴(kuò)展性 接口等要求的多DSP紅外實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。 3.1 數(shù)字圖像處理的研究 3.1.1 數(shù)字圖像處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)框圖如圖 3.1 所示，首先攝像單元將對象物所反射的光強(qiáng)度進(jìn)行記 錄之后，通過光電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，電信號在 A/D 轉(zhuǎn)換單元又轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并 存儲在圖像存儲單元中，然后讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)的處理并將處理結(jié)果進(jìn)行顯示。 對象物攝像單元A/D 轉(zhuǎn)換單元圖像存儲單元計(jì)算機(jī) 圖 3.1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 10 - 3.1.2 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： （1）圖像變換 由于圖像陣列很大，直接在空間中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。因此，通常采用各 種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換、小波變換等間接處理 技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，這樣不僅可減少計(jì)算量，而且處理更有效。 （2）圖像壓縮編碼 圖像壓縮編碼技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)省圖像傳輸，處理時(shí)間和減少 存儲器容量。壓縮可以在不失真前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。 （3）圖像增強(qiáng)和復(fù)原 圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。 圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中感興趣的部分。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可 使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；如強(qiáng)調(diào)低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原 要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型” ，再采用某 種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。 （4）圖像分割 圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部 分提取出來，有意義的特征包括圖像中物體的邊緣，區(qū)域等。圖像分割是進(jìn)一步進(jìn)行圖 像識別，分析和理解的基礎(chǔ)。 （5）圖像描述 圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性 描述物體的特性，一般圖像描述方法采用二維形狀描述，它有邊緣描述和區(qū)域描述兩類 方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展， 已經(jīng)進(jìn)行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法。 （6）圖像識別 圖像識別屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理后，進(jìn)行圖像分 割和特征提取，從而進(jìn)行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計(jì)模式 分類和句法模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類在圖 像識別中也越來越受重視7。 上述圖像處理的內(nèi)容往往是相互聯(lián)系的。一個(gè)實(shí)用的圖像處理系統(tǒng)往往需要結(jié)合幾 種圖像處理技術(shù)才能得到所需要的結(jié)果。圖像數(shù)字化是將一個(gè)圖像變換為適合計(jì)算機(jī)處 理的形式的第一步；圖像編碼技術(shù)可用于傳輸和存儲圖像；圖像增強(qiáng)和復(fù)原是圖像處理 的最后目的，也可以為進(jìn)一步的處理作準(zhǔn)備；通過圖像分割得到的圖像特征可以作為最 后結(jié)果，也可以作為下一步圖像分析的基礎(chǔ)。 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 11 - 3.2 DSP 系統(tǒng)研究 DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合與數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器， 其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯 片一般具有如下主要特點(diǎn)： （1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； （6）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； （7）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； （8）支持流水線操作，使取指，譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行8。 DSP芯片與通用微處理器在應(yīng)用領(lǐng)域有著很大的不同，主要區(qū)別在于： （1）DSP的速度比MCU快，主頻較高； （2）DSP適合于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的指令效率較高； （3）DSP均為16位以上的處理器，不適合于低檔的場合； （4）DSP可以同時(shí)處理的事件較多，系統(tǒng)級成本有可能較低； （5）DSP的靈活性較好，大多數(shù)算法都可以軟件實(shí)現(xiàn)； （6）DSP的集成度較高，可靠性較好9。 3.2.1 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成 圖3.2所示為一個(gè)典型的DSP系統(tǒng)。圖中的輸入信號可以有各種各樣的形式。例如， 它可以是麥克風(fēng)輸出的語音信號或由電話線來的已調(diào)數(shù)據(jù)信號，也可以是編碼后在數(shù)字 鏈路 上傳輸或存儲在計(jì)算機(jī)里的圖像信號等。 輸入抗混疊濾波A/DDSP 芯片D/A平滑濾波輸出 圖3.2 典型的DSP系統(tǒng) 輸入信號首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行A/D變換將信號變換成數(shù)字比較流。根 據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率必須至少是輸入帶限信號最高頻率 的兩倍10。 DSP芯片的輸入是由A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP芯片對輸入 的數(shù)字信號進(jìn)行某種形式的處理。如進(jìn)行一系列的乘，累加操作等。數(shù)字處理是DSP的關(guān) 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 12 - 鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同，在交換系統(tǒng)中，處理器的作用是進(jìn)行路由選擇，它并 不對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。因此雖然兩者都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但兩者的實(shí)時(shí)約束條件卻有很大 的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)D/A變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和 平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形11。 3.2.2 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對于一個(gè)DSP的應(yīng)用系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的過程如圖3.3所示。依據(jù)設(shè)計(jì)過程，其設(shè)計(jì)步驟 可以分為如下幾個(gè)階段： 根據(jù)需求寫出任務(wù) 書確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 算法研究和系統(tǒng)模擬實(shí) 現(xiàn)定義系統(tǒng)性能指標(biāo) 選擇 DSP 芯片 和外圍芯片 硬件設(shè)計(jì) 硬件調(diào)試 軟件設(shè)計(jì) 軟件調(diào)試 系統(tǒng)集成和調(diào)試 圖3.3 DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 （1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 在進(jìn)行DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)，寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書。在設(shè)計(jì)任務(wù)書 中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)題目和要求，準(zhǔn)確，清楚地描述系統(tǒng)的功能和完成的任務(wù)，描述的方式 可以用人工語言描述，也可以是流程圖或算法描述。然后根據(jù)任務(wù)書來選擇設(shè)計(jì)方案， 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。 （2）算法模擬，確定性能指標(biāo) 此階段主要是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)。首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的 要求進(jìn)行算法仿真和高級語言模擬實(shí)現(xiàn)，以確定最佳算法。然后根據(jù)算法初步確定相應(yīng) 的參數(shù)。常用的仿真方法有C語言，MATLAB和System View等，需要注意的是隨著現(xiàn)代 信號處理理論和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛速發(fā)展，仿真算法也許比較容易實(shí)現(xiàn)，但是對實(shí)際 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 13 - 系統(tǒng)的要求各不相同，有些算法在運(yùn)算速度，計(jì)算精度或存儲器容量等方面的要求超出 了硬件能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍，或者需要高昂的成本。所以在選擇算法時(shí)應(yīng)致意其性價(jià)比，盡 可能采用最小的代價(jià)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，避免后續(xù)工作出現(xiàn)反復(fù)和浪費(fèi)。 （3）選擇DSP芯片和外圍芯片 根據(jù)算法的要求來選擇DSP芯片和外圍芯片，以實(shí)現(xiàn)既能滿足設(shè)計(jì)需要，又具有最高 的性價(jià)比。如果產(chǎn)品產(chǎn)量較大，一般需要采用能夠滿足要求的最便宜的器件；對于中等 用量的系統(tǒng)，要權(quán)衡器件成本，開發(fā)成本和系統(tǒng)性能，爭取獲得最佳的折中；若用量很 少，就需要重點(diǎn)考慮開發(fā)工具的成本，設(shè)計(jì)周期等因素。 （4）設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)的DSP應(yīng)用系統(tǒng) 這個(gè)階段主要完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。首先，應(yīng)根據(jù)選定的算法和DSP芯片， 對系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是用軟件實(shí)現(xiàn)還是硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行初步的分工。然后根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn) 行 硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成DSP芯片外圍電路和其他電路的設(shè)計(jì)， 而軟件設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)的要求和所設(shè)計(jì)的硬件電路，編寫相應(yīng)的DSP匯編程序，也可以 采用C語言編程與匯編語言混合編程。 （5）硬件和軟件調(diào)試 硬件和軟件調(diào)試可借助開發(fā)工具完成。硬件調(diào)試一般采用硬件仿真器進(jìn)行，而軟件 調(diào)試一般借助DSP開發(fā)工具進(jìn)行，如軟件模擬器，DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。軟件調(diào)試時(shí)， 可在DSP上執(zhí)行實(shí)時(shí)程序和模擬程序，通過比較運(yùn)行的結(jié)果來判斷軟件設(shè)計(jì)是否正確。 （6）系統(tǒng)構(gòu)成和調(diào)試 當(dāng)完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試后，將進(jìn)入系統(tǒng)的集成和調(diào)試階段。所謂系統(tǒng)的集 成是將軟硬件結(jié)合組裝成一臺樣機(jī)，并在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行，以評估樣機(jī)是否達(dá)到所要求 的性能指標(biāo)。若系統(tǒng)測試結(jié)果符合指標(biāo)，則樣機(jī)的設(shè)計(jì)完成。在實(shí)際的測試過程中，由 于軟硬件調(diào)試階段的環(huán)境是模擬的，所以在系統(tǒng)測試中往往會出現(xiàn)一些精度不夠，穩(wěn)定 性不好等問題。對于這種情況，一般通過修改軟件的方法來解決，如果仍無法解決，則 必須調(diào)整硬件，此時(shí)的問題就比較嚴(yán)重了12。 3.2.3 DSP 系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點(diǎn)： （1）接口方便 DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口 實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多。 （2）編程方便 DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進(jìn)行修改 和升級。 （3）穩(wěn)定性好 DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪聲的影響較小，可靠性高。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 14 - （4）精度高 16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10-5的精度，32位數(shù)字系統(tǒng)可達(dá)到210-10的精度。 （5）可重復(fù)性好 模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字 系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。 （6）集成方便 DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。 當(dāng)然，數(shù)字信號處理也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對于簡單的信號處理任務(wù)，如與模 擬交換線的電話接口，若采用 DSP 就會使成本增加。DSP 系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能帶來高 頻干擾電磁泄露等問題，而且系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外，DSP 技術(shù)更新的速度快， 數(shù)學(xué)知識要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善13。 3.2.4 DSP 的發(fā)展 21世紀(jì)我們將進(jìn)入數(shù)字化的時(shí)代，DSP的應(yīng)用也將多樣化。DSP器件將不在是一塊獨(dú) 立的芯片，而是變成構(gòu)件內(nèi)核，開發(fā)人員選擇合適的DSP內(nèi)核，再配上專用邏輯和存儲器， 結(jié)合在一起，就可以形成專用的DSP方案，如下是DSP的發(fā)展： （1）微控制器與DSP的結(jié)合 設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，往往用微控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制和用戶界面，DSP負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)運(yùn)算。因 此就出現(xiàn)了綜合微處理器和DSP兩個(gè)內(nèi)核的混合器件。早期的此類芯片有日立公司的SH3- DSP；西門子公司的Tricore Motorola的MC68356也屬于此類器件；TI的TMS320C80更是集 4個(gè)可并行處理的DSP芯片，一個(gè)RISC主處理器，一個(gè)傳輸控制器，一個(gè)視頻控制器為一 體?；旌掀陂g帶來的最大好處就是降低了系統(tǒng)成本，簡化了軟件開發(fā)過程。在硬件設(shè)計(jì) 時(shí)，使用混合型芯片可以減少印刷電路板的面積和功耗，并且這種芯片具有公用數(shù)據(jù)通 路，指令系統(tǒng)和寄存器。在軟件開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員可以不必學(xué)習(xí)多種開發(fā)系統(tǒng)，只需編 寫?yīng)毩⒌奈⒖刂破骱虳SP程序。公用的正交指令系統(tǒng)和寄存器也可使編譯器易于生成最佳 代碼，并簡化調(diào)試過程。 目前，這種融合還存在很多困難，硬件上必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)芯核的正確通信，兩個(gè)芯核 間要共享存儲區(qū)，片內(nèi)必須集成雙口RAM。軟件上，最大的挑戰(zhàn)是在不同結(jié)構(gòu)芯片上開 發(fā)和調(diào)試同一套代碼。而且，使用多CPU處理器運(yùn)行開發(fā)仿真時(shí)，測試十分困難。雖然有 很多困難，但融合的好處是十分吸引人的，眾多的生產(chǎn)廠商都在加緊這方面的研發(fā)，融 合會是DSP發(fā)展的趨勢之一14。 （2）應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 早期的DSP系統(tǒng)開發(fā)者除了開發(fā)需要實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的核心算法外，還要自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件 框架，作為目標(biāo)代碼的一部分一起運(yùn)行，核心/控制框架隨著應(yīng)用的不同而不同。 隨著DSP處理能力的增加，芯片越來越復(fù)雜，如何充分使用器件資源，成為DSP開發(fā) 的重點(diǎn)和難點(diǎn)。另外，數(shù)字處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，軟件規(guī)模越來越大，往往需要同時(shí)運(yùn) 行多個(gè)任務(wù)，任務(wù)間的通信，同步等問題變得越來越突出。這使得對DSP提供RTOS支持 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 15 - 成為DSP發(fā)展的趨勢之一。 RTOS是一段MCU啟動后首先執(zhí)行的背景程序，貫穿系統(tǒng)運(yùn)行始終。面向DSP的嵌入 式RTOS的主要功能有：多任務(wù)、動態(tài)進(jìn)程、同步消息傳遞、信號機(jī)、時(shí)鐘管理、中斷處 理、存儲區(qū)分配以及和主機(jī)OS握手等。此外，用于DSP的RTOS還提供高級功能調(diào)用和標(biāo) 準(zhǔn)的I/O庫，以用于加快開發(fā)進(jìn)度。RTOS可以將系統(tǒng)開發(fā)人員從重復(fù)實(shí)施系統(tǒng)級功能中解 放出來，集中經(jīng)歷解決應(yīng)用問題。 用于DSP的RTOS存在的主要問題是RTOS要占用處理器資源，這對單處理器來說支持 多任務(wù)的資源會很可觀。不過在復(fù)雜的多處理器系統(tǒng)中，使用RTOS能盡量發(fā)揮DSP的性 能， 簡化開發(fā)難度15。 （3）并行處理結(jié)構(gòu) 為提高DSO芯片的處理速度，各DSP生產(chǎn)廠家紛紛在器件中引入并行處理機(jī)制，主要 分為片內(nèi)并行和片間并行。TI的TMS320C8X是一個(gè)緊耦合多指令多數(shù)據(jù)流的單片多處理 器系統(tǒng)。其運(yùn)行速度等效于20億次每秒的RISC類型的操作。該系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是 使用交叉連接開關(guān)代替了傳統(tǒng)的總線互連。在總線互連系統(tǒng)中，各DSP之間要申請總線， 并需要總線仲裁機(jī)構(gòu)分配總線。在單總線系統(tǒng)中，如果某個(gè)DSP占用了總線，其他DSP要 等該DSP釋放總線后，才能獲取總線的使用權(quán)，這大大限制了總線傳輸數(shù)據(jù)的速度。交叉 連接開關(guān)結(jié)構(gòu)可在同一時(shí)刻將不同的DSP與不同的任意存儲器連通，這就大大提高了數(shù)據(jù) 傳輸速率，使得多處理器并行處理中數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i得到緩解16。 TI公司的另一類高端產(chǎn)品TMS320C6200是靠超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIW）來實(shí)現(xiàn)并行處 理的。CPU內(nèi)部多個(gè)功能單元并行工作，共同使用大型的寄存器堆。由VLIW的長指令來 同步各個(gè)功能單元，并行執(zhí)行的各種操作，把長指令中的不同字段的操作碼分送給不同 的同能單元，這種代碼壓縮靠編碼器完成。VLIW處理機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是指令的獲取、分 配、執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲等階段需要執(zhí)行多級流水線，而且不同指令執(zhí)行的流水線延遲時(shí)間 不同。 DSP的另一個(gè)主要的生產(chǎn)商AD公司也一直致力于對超級哈佛結(jié)構(gòu)（SHARC）的改進(jìn)， 第一代SHARC產(chǎn)品ADSP2106X是在一個(gè)ADSP21020的浮點(diǎn)DSP核心基礎(chǔ)上集成了片內(nèi)大 容量雙口RAM和并行處理接口，可方便地進(jìn)行并行擴(kuò)展。 1999年第二季度AD公司推出第二代SHARC產(chǎn)品ADSP21160。其最大特點(diǎn)是采用單指 令數(shù)據(jù)流（SIMD）模式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比第一代SHARC結(jié)構(gòu)增加了第二套計(jì)算單元， 大大提高了數(shù)據(jù)的移動能力。在雙處理元結(jié)構(gòu)下，一條指令可以在兩個(gè)處理單元中并行 執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)并行處理多數(shù)據(jù)流，使計(jì)算速度加倍。ADSP21160具有住處理器接口和 支持多處理器的共享總線，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度提高到64位，DMA通道從10條增加到14條， 而且存儲器是雙口的，DMA可以和核心處理器同時(shí)訪問內(nèi)存，而不發(fā)身沖突，不需要插 入額外的周期，從而更好地實(shí)現(xiàn)了DSP芯片間的并行處理。 （4）低功耗 DSP技術(shù)在新型消費(fèi)性商品和寬待通信中的應(yīng)用越來越廣泛，而這些產(chǎn)品大都使用電 池供電，為了實(shí)現(xiàn)更長的使用時(shí)間，就要求DSP器件的功耗降低。這也成為了DSP器件發(fā) 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 16 - 展的趨勢之一。 1980年推出的DSP芯片功耗為250MW/MIPS，到1990年就降到了12.5MW/MIPS。而TI 公司2000年公布的TMS320C55X的DSP內(nèi)核功耗降到了0.9V供電時(shí)的 0.05MW/MIPS，1.2V/1.5V供電時(shí)的0.08MW/MIPS，而計(jì)算能力最高可達(dá)800MIPS。 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和先進(jìn)電源管理技術(shù)的發(fā)展，將來DSP內(nèi)核的電壓會越來 越低。此外，周邊裝置，存儲器的功耗也在不斷降低。整個(gè)DSP的功耗也將隨之湖斷下降， 預(yù)計(jì)到2010年將降到0.001MW/MIPS左右17。 3.3 可編程 DSP 芯片 3.3.1 DSP 芯片的分類 DSP芯片可以按照下列三種方式分類： （1）按基礎(chǔ)特性劃分 這是根據(jù)DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來分類的。如果在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何 時(shí)鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能下降，這類DSP芯 片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。例如，日本OKI電氣公司的DSP芯片，TI公司的TMS320C2XX 系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代 碼及管腳結(jié)構(gòu)互相兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。 （2）按數(shù)據(jù)格式劃分 這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定 點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X，TMS320C2XX/C5X，TMS320C54X/C62XX 系列，以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公 司的ADSP21XXX系列。 不同浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格 式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，如Motorola公司的 MC96002，F(xiàn)ujitsu公司的MB86232和Zoran公司的ZR35325等。 （3）按用途劃分 按照DSP的用途劃分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適 合 于普通的 DSP 應(yīng)用，如 TI 公司的一系列 DSP 芯片屬于通用型 DSP 芯片。專用型 DSP 芯 片是為特定的 DSP 運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和 FFT，如 Motorola 公司的 DSP56200，Zoran 公司的 ZR3488118。 小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究 - 17 - 3.3.2 DSP 芯片的選擇 在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的DSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通常依據(jù)系統(tǒng) 的運(yùn)算速度，運(yùn)算精度和存儲器的需求等來選擇DSP芯片。只有選定了DSP芯片，才能進(jìn) 一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偟膩碚f，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng) 的需要而定。不同的DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合，應(yīng)用目的等不盡相同，對DSP芯片的選 擇也不同。一般來說，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮如下因素： （1）DSP芯片的運(yùn)算速度 DSP芯片的運(yùn)算速度是一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所要考慮的一個(gè) 主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來衡量。指令周期：即執(zhí)行一條 指令的所需的時(shí)間，通常以ns（納秒）為單位。如果DSP芯片平均在一個(gè)周期內(nèi)可以完成 一條指令，則該周期等于DSP主頻的倒數(shù)。如TMS320VC5402-100芯片在主頻為100MHZ 時(shí)的指令周期為10ns；MAC時(shí)間：即完成一次乘法-累加運(yùn)算所需要的時(shí)間。大部分DSP 芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法操作，如TMS320VC5402-100的MAC 時(shí)間為10ns；FFT執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需要的時(shí)間。由于FFT運(yùn)算涉及的 運(yùn)算在數(shù)字信號處理中是非常有代表性，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常用來作為綜合衡量DSP芯片 運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)；MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。如TMS320VC5402-100的處理能 力為100MIPS，即每秒可執(zhí)行1億條指令；MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作。如 TMS320C40的運(yùn)算能力為275MOPS；MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。如 TMS320C31在主頻為40MHZ時(shí)的處理能力為40MFLOPS；BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。 如TMS320C80的處理能力為2BOPS。 （2）DSP芯片的價(jià)格 DSP芯片的價(jià)格也是選擇DSP芯片所需要考慮的一個(gè)重要因素。若采用價(jià)格昂貴的 DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會受到一定的限制。因此，芯片的價(jià)格是DSP 應(yīng)用產(chǎn)品能否規(guī)?；?，民用化的重要決定因素。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng) 的應(yīng)用情況來選擇一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。當(dāng)然，由于DSP芯片發(fā)展迅速，DSP芯片的 價(jià)格往往下降較快，因此，在系統(tǒng)的開發(fā)階段，可選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系 統(tǒng)開發(fā)完畢后，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。 （3）DSP芯片的運(yùn)算精度 定點(diǎn)DSP芯片的字長通常為16位，如TMS320系列。但有些公司的定點(diǎn)的芯片為24位， 如Motorola公司的MC56001等。浮點(diǎn)芯片的字長一般為32位，累加器為40位。雖然合理地 設(shè)計(jì)系統(tǒng)算法可以提高和保證運(yùn)算精度，但需要相應(yīng)地增加程序的復(fù)雜性和運(yùn)算量。通 常在算法確定后折中考慮。 （4）DSP芯片的硬件資源 不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的，如片內(nèi)RAM，ROM的數(shù)量，外部可 擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片，不同型號 的芯片，其內(nèi)部硬件資源也有所不同。 （5）DSP芯片的開發(fā)工具 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 18 - 快捷，方便的開發(fā)工具和完善的軟件支持是開發(fā)大型，復(fù)雜DSP應(yīng)用系統(tǒng)的必備條件。 如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。所以，在選擇 DSP芯片的同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具等。近幾年 來，各大DSP供應(yīng)商已經(jīng)重視并努力解決這一問題。如TI公司推出的Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境，eXpressDSP實(shí)