DSP课程论文_基于DSP的图像采集系统设计

课程论文

DSP原理与应用

题目：基于DSP的图像识别系统设计学院：信息工程学院

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2011 年 12 月 27 日

摘要

本文对模式识别方面展开研究和开发。利用32位微处理器TMS320C5402 DSP作为硬件开发平台，进行图像采集，实现图像处理，以便提取出目标信息，构成视觉闭环控制系统。

数字信号处理器(DSP)运行速度快，能够完成复杂的控制算法，建立高精度控制系统。本课题是以一个单片TMS320C5402为核心处理器，主要针对高速数据采集和高速密集数据处理，基于DSP在视觉系统的应用研究。本文主要解决了以下几个问题：

(1)基于VC++建立一个通过PCI接口实现DSP与PC之间的通信，进行PC与DSP的高速大数据量数据交换；

(2)进行视频信号的数据采集及转化，获取图像。并在PC机上以位图的形式显示出来；

(3)模式识别。在PC机上用VC++建立一个通用图像处理系统．实现通用图像处理算法。改善算法，通过对物体标识，然后对物体进行特征抽取及分类，能够自动识别出目标物体，并获取其空间坐标、方向、姿态……针对摄取的图像较大，像素较多，因此要处理的数据量非常大的特点，此算法通过遍历三邻域就能够取得很好的效果。

关键词：数字信号处理器(DSP)，模式识别，图像采集，数字图像处理

Abstract

In this paper, the pattern recognition aspects of research and development. Use of 32 bit microprocessor TMS320C5402 DSP as hardware development platform, image collection, realize image processing, in order to extract the target information, constitute a visual closed-loop control system.

The high processing speed of DSP allows sophisticated control techniques to be used to build a high-precision control system．The paper researches mainly how to sample data speedily and process these dense data with using 32-bit digital signal processor(DSP) TMS320C5402 at the basic of embedded machine vision system．It performs primarily the following works：

(1)Perform the communication between DSP and the host computer with the PCI preface，and can transfer quantity data；

(2)Sample and convert the digital information into image plane，and display it on bit map of the host computer；

(3)Build a general image processing system on host computer, which call utilize the arithmetic of image processing．Through marking these objects on the image，obtaining and classing the traits of the objects．the algorithms of the processing can identify the object automatically and obtain the coordinate，orientation，movement of the object, etc．Because the processed data of the image is so excessive，general algorithms can not apply in it or spend a lot of time in it．The algorithms which research the three adjacent area can get the satisfied purpose comparatively．

keywords：digital signal processor(DSP),pattern recognition, image sampling，digital image processing

1DSP处理器TMS320C54简介

DSP芯片具有计算，存储，和通信的功能。这恰好与数字思想是吻合的。只要对数字比特进行运算和存储及传输就能完成任何复杂的功能，这就是数字化的思想。在此CPU充当计算功能，而片内存储起数据缓存作用，另外片内外围电路则是传输通道。除上述结构特征外，DSP芯片还具有适合于数字信号处理的特点：1）改进的哈佛结构。

冯·诺依曼结构，其特点是程序和数据共用一个存储空间。统一编址依靠令计数器提供的地址进行区分。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢。

哈佛结构是程序和数据具有独立的存储空间，有着各有的独立总线。由于可同时对数据和程序进行寻址，它大大地提高了数据处理能力。改进型哈佛结构是在数据总线和程序总线之间建立交叉连接。这样允许数据存放在程序存储器内，另外指令可存储在CACHE中。

2）流水线操作。

一个指令是分为取指令、译码、取操作数、执行。显然是顺序的，但如果有多条这样的流水同时进行，将会大大减少指令执行时间。

3）采用硬件乘法器。

4）一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。

5) 快速的指令周期。

6) 良好的多机并行运行特性，提供了并行运行的通信接口。变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

TMS320系列中的同一代芯片具有相同的CPU结构,但是片内存储器和外围设备的配置是不同的。通过把存储器和外围设备集成到一块芯片上,可以降低系统成本和节省电路板空间。

TMS320C54是16位定点DSP，采用改进的哈佛结构，适应远程通信等实时嵌入式应用的需要。TMS320C54有一组程序总线和三组数据总线。高度并行的算术逻辑单元ALU，专用硬件逻辑，片内存储器，片内外设和专业化的指令集，使该芯片速度更高，操作更灵活。

程序和数据空间分开，允许同时对程序指令和数据进行访问，提供了更高

的并行度，可在一个周期里完成两个读和一个写操作。因此，并行存储指令和专用指令可在这种结构里得到充分利用。另外，数据可以在数据空间和程序空间之间传送。并行性支持一些列算术，逻辑和位处理运算，它们都能在一个机器周期里完成。TMS320C54还具有管理中断，循环运算和功能调用的控制结构。

2 数字图像处理

2.1 数字图像处理技术概述

数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响:一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。

一般来讲,对图像进行处理(或加工、分析)的主要目的有三个方面:

(1)提高图像的视感质量,如进行图像的亮度、彩色变换,增强、抑制某些成分,对图像进行几何变换等,以改善图像的质量。

(2)提取图像中所包含的某些特征或特殊信息,这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面,如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等。

(3)图像数据的变换、编码和压缩,以便于图像的存储和传输。

不管是何种目的的图像处理,都需要由计算机和图像专用设备组成的图像处理系统对图像数据进行输入、加工和输出。

2.2数字信号处理器(DSP)概述

DSP在实时处理速度上要远远地快于普通的微处理器。而它们带进电子市场的最有价值的则是可与时钟赛跑的超高速的运算能力。其具有最高速性能：TMS320C DSP平台将向市场提供速度可快达1．1 GHz性能的DSP，这个性能可为如无线宽带网络和数字化图像处理等方面提供良好的实时性应用。它同时也继承了TI从易到难的具有世界上最好的C编译器的效率的DSP传统。

DSP芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。它的内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构，具有专门的硬件乘法器，辅助算术逻辑单元以及广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令，使DSP芯片的运行速度明显加快，成为实现各种复杂算法首选的微处理器。同时，它还具有以下优点：

(1)接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，便于相互间通信和交换数据。

(2)编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

(3)稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小,可靠性高。

(4)精度高。

3 DSP图像采集系统总体方案和研究目标

在该系统中,利用32位的DSP微处理器TMS320C5402作为硬件开发平台,将图像采集在DSP中高速完成,并将图像通过PCI总线传送到主机。利用VC++构建图像识别系统，识别之后的图像信息可以用作其他用途，这里只是提供图像采集系统前端部分的功能，开发人员可在此基础上加以扩展成为自己的系统。这同时也为今后的图像处理的完全嵌入式打下了基础。

本论文以一个单片的TMS320C5402为核心处理器，主要针对高速数据采集和高速密集数据处理，基于DSP在嵌入式的研究，本论文的主要内容为：

(1)基于VC++建立一个通过PCI接口实现DSP与PC之间的通信，进行PC与DSP的高速大数据量数据交换。

(2)进行视频信号的数据采集及转化，获取图像。并在PC机上以位图的形式显示出来。

(3)模式识别。在PC机上用VC++建立一个通用图像处理系统，实现通用图象处理算法。能够自动识别目标物体，并获取其空间坐标、姿态……。

硬件分为两大模块(如图2-1所示)

1) 视频模块

能够捕捉和产生PAL和NTSC制式的模拟视频信号。模拟视频输入到视频解码芯片(BT835)，通过FPGA进行图像的预处理，转换成数字信号，再传输到视频FIFO 中，DSP 通过DMA方式读取数据。FPGA回路中有两个作用：把数据写入FIFO；控制帧的输入比

率。

2) DSP处理器模块

TMS320C5402为高性能定点DSP处理器，在本系统中工作时钟为600MHz。外部总线：EMIFA和EMIT(External Memory Inter-face)，总线时钟为100MHz。以2．2版本的PCI接口作为主机接口。图像处理结果在主机CRT上显示。

3.1 系统概述

图3-1 系统硬件图

本方案软件设计流程图如图2-2所示：

图3-2 系统软件流程图

3.2 DSP与PC之间通信的实现方法

DAM6416板上提供了满足PCI2．2规范的PCI接口，DSP和PC机之间可以通过PCI接口实现通讯和数据交换，而不需要通过扩展异步通信芯片来实现串口通信，这样既节省了设备，又可实现Host与DSP的高速大数据量数据交换。主机通过PCI接口可直接访问DSP的所有存储空间，允许主机初始化DSP，

可以从主机加找程序。DSP与PC之间的通讯可以采用消息的机制和DMA的机制。

从JTAG接口加载程序比较适合于程序的开发调试，对于实际的系统来说，大部分都是系统自己从EEPROM或Flash加载。现在我们可以从主机通过应用程序加载，基于此，许多耗时的算法PC机不能实时完成的可以由DSP来完成。

这个过程可以这样来描述：PC机执行应用程序，加载算法到DSP端，并将需要处理的数据传送到DSP，DSP计算完成后将数据传回PC来控制启动、工作、完成，使用起来比较方便。当然，DSP算法还需要首先用仿真器通过JTAG 接口调试好才行。

DSP程序的CMD文件: 为了实现DSP与主机之间的通讯，我们必须首先在DSP的内存空间保留以下的段：

SECTIONS

{

．commdesc：fill=0>COMMDESC

．FifoMsgTab：fill=0>lSRAM

．DmaDesc：fill=0>ISRAM

}

这些段的空间实际上是为DSP与PC之间的通讯内核程序保留的。在编写DSP 应用程序时需要特别注意将上面的段定义加入CMD文件中。DSP与PC 之间的消息通讯DSP与PC之间可以采用消息的方式进行通讯。

(1)向PC发送消息

对于DSP而言，向PC机发送消息可以通过下面的函数实现：

PCI_sendMessage(Uint32 dwflag,Uint32dwsize，void+pMessage)

其中，PCI_sendMessage01拘第一个参数表示向Pc机发送的消息类型，如果非DMA请求，则此参数为0。第二个参数是消息队列的长度，第三个参数是指向息队列的指针。例如；

status=PCsendMessage(0，2+sizeof(Uint32)，MessageBuffer)；

将向PC机发送长度为2的消息，消息的内容位于MessageBuffer中。该函数执行后，MessageBuffer中的内容将被复制到．fifoMsgTab区，同时将触发PC机的一个PCI消息事件。PC可以采用下节介绍的方法响应这个消息。

(2)处理来自Pc的消息

PC机也可以向DSP发送消息。此时会触发DSP的主机中断。IEKLIB提供的库函数可以自动处理这个中断。可以使用下面的函数读取PCI消息：IEKC64_STATUS

PCI_getMessage(Uint32+pflag,Uint32+pBytesRead-Uint32 dwsize，void+pMessage)；

对DSP应用程序而言，可以选择以查询或回调函数两种方式来响应来自主机的PCI消息。使用查询方式时，程序如下:

while(1)

{

status=PCI_getMessage(&msgFlag&bytes，sizeof(MessageBuffer);

MessageBuffer)；

if(status==IEKC64 0K1

break；

}

此时，PCI消息的内容将被保存在MessageBuffer中，消息的长度将保存在bytesRead中。

3.3 视频图像的采集和输出

所有的视频I/O操作将利用这个VIDEO模块来完成。在VIDEO模块中，又进一步定义了负责视频采集的V1N模块和负责视频生成的VOUT模块这两个子模块。VIN模块负责视频采集，它会将由BT835采集得到的图像数据帧存放在事先分配的缓冲区中。在VIN模块中，设计了相应的数据结构将分配的空间连续的线性缓冲区转化为一个环形的缓冲区。一般来说，需要考虑为这个缓冲区分配足够大的空间，使其中可以存放的图像帧的数目至少大于3，这样就可以保证在对图像数据进行处理的同时还可以同步进行新的图像数据的采集，而不会发生任何数据冲突。当某种算法可能需要对超过一帧的图像数据同时进行处理时，可以通过定义nFramesToKeep=N0 的方法束解决，这样系统将会永远保留环形缓冲区中最旧的N帧图像直至将其读走。需要注意的是：当缓冲区满后，除非

将其中的一些数据读走，以空出空间，否则新的图像帧将会丢失。

如果上一次采集到的数据被存放到了第k—I的位置，此时如果还未读走第k个位置的一帧数据，则新采集到的一帧数据将丢失。在使用VIN模块时，并不需要知到当前的数据到底是位于缓冲区的什么位置。每次读缓冲区，取到的总是未被读取的最旧一帧图像。VIN模块被启动后，采集到的图像数据将通过DMA的方式自动被保存到缓冲区中，而不需要任何干预。可通过查询的方式来了解缓冲区中是否有已经采集到的图像数据。具体方法是利用下面的函数：IEKC64_STATUSVIN getFrame(Handle videolnHandle，void”pPtrFrame，

Int32nWaitTimeout)

如果缓冲区中有已经采集到的图像数据，则会将最先采集到的1帧图像的地址

返回给pPtrfYame，如果没有，此时函数的动作将取决于nWaitTimeOut参数。

nWaitTimeOut的取值为：

IEKC64 VIDEO NO WAIT；／／不等待

IEKC64 vIDEO WAIT INFINITE；／／等待，直到1帧准备好

当nWaitTimeOut=IEKC64 VIDEO—NO—WAIT时，如果没有数据，就立即返回，并同时返回一个IEKC64一VIDEO_ERR NO FRAME_AVAILABLE 的状态。而当nWaitTimeOut=IEKC64 VIDEO_WAn'_INFINITE时，如果没有数据，函数将一直等待到有新的数据后才返回。

VOUT模块负责进行视频图像的输出。VOUT可以输出标准模拟视频信号或者SVGA信号。对于标准模拟视频信号输出，VOUT模块接受的图像数据应当是4：2：2 的YUV格式的图像数据。而对于SVGA输出，VOUT模块接受的图像数据应当是5：6：5的RGB格式的图像数据。必须根据具体的情况对VOUT模块进行相应的配置。在利用VOUT模块进行VGA输出时，可能需要进行输出图像数据的格式转换。

图3-3总结了VIDEO模块的使用。

图3-3 VEDIO模块图

总结

在本论文中，主要搭建了一个DSP的图像识别系统，研究工作包括下面几个方面：

（1）对DSP的工作原理和性能进行了研究；研究了实时DSP系统的原理和特性。研究了TMS320C5000系列CPU结构与指令集，井在DSP开发环境ccs2．2版本下对DSP端程序(主要完成DSP与PC问的通讯及视频图象的采集和输出方面)进行了成功编制与调试。

(2)进行视频信号的数据采集及转化，获取图像。设计了VIDEO视频模块。能够捕获和产生PAl制式的模拟视频信号，并通过FPGA进行图像的预处理，转换成数字信号，再输到视频FIFO 中，DSP通过DSA方式凑取数据；成功构造了CDib类，使采集到的图像在PC机上以位图的形式显示出来。

(3)模式识别。在PC机上用VC++建立一个通用图象处理系统，实现通用图象处理算法。通过对物体标识，然后对物体进行特征抽取及分类，能够自动识别出目标物件，并获取其空间坐标、方向、姿态……。针对摄取的图像较大，像素较多，因此要处理的数据量非常大的特点，此算法通过遍历三邻域就能够取得很好的效果。

自己在此过程中也存在很多的不足需要改进，例如代码的优化已经变成思想完整性的建立等等，在以后需要更加努力完善。

参考文献

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