基于DSP的数字图像处理系统的设计与实现

基于DSP的数字图像处理系统的设计与实现文：杨文胜李梅时间：2008-10-717:20:49安徽广电信息网络有限责任公司阜阳分公司摘要：为满足高数据量图像处理需求，提出并设计了以TMS320DM642为处理器的数字图像处理硬件系统，并在DSP/BIOS上配以实时图像处理软件系统，实现数字图像处理。本文阐述了系统模块的构成、软件系统的设计，在此平台上，采集图像并运用优化算法对图像进行增强、分割、边缘检测，结果表明系统运行正常。关键词：TMS320DM642图像处理DSP一、引言随着计算机科学技术发展和相关理论的不断完善，数字图像处理技术被广泛应用于可视电话、电视会议、监控系统、商用及工业生产领域中。在技术要求中，一个突出的问题就是数据量庞大、数据处理相关性高、实现实时比较困难。而实时性的主要因素为图像处理的速度，即要求数字图像处理系统要有强大的运算能力。高性能DSP的发展为实时的图像处理提供了一个解决方法。高速DSP不仅可以满足在运算性能方面的需要，而且由于DSP的可编程性，还可以在硬件一级获得系统设计的极大灵活性。TI公司的TMS320DM642是一款专门面向多媒体应用的专用DSP。该DSP时钟高达600MHz，8个并行运算单元，处理能力达4800MIPS；采用二级缓存结构，具有64位外接存储器接口，兼容JTAG边界扫描，为了面向多媒体应用，还集成了3个可配置的视频端口。采用DM642为核心设计的数字图像处理系统，能够很好的满足图像处理要求。二、系统硬件平台框架系统的整体硬件框图如图1所示，整个系统是以TMS320DM642为核心构成的应用系统。包括DM642处理器芯片、视频编解码器芯片、其他外围电路。DM642通过I2C总线对视频编解码器进行配置，使其能够满足系统的需求；通过VP口接收和传送视频数据以及同步控制信号；通过EMIF总线实现外部存储器的扩展，SDRAM用于运行时的程序代码和数据的存储，FLASH用于系统引导程序的存储。时钟模块方面，片内PLL输入时钟和EMIF外部输入时钟是DM642的两个重要时钟，为确保时钟的准确性均采用了有源晶振。其中PLL输入时钟为50MHz，通过对PLL倍频参数选择使DM642工作在600MHz主频。EMIF外部输入时钟为100MHz，此时钟由ICS512芯片提供。外部存储器扩展方面，系统采用了2片MT48LC4M32B2-7SDRAM芯片，此芯片采用了同步接口方式（所有信号都在时钟信号的上升沿触发），与系统时钟同步运行。芯片内存颗粒的构架为1M×32×4banks，每个bank的行地址数目为12，列地址数目为8。DM642仅支持8位的ROM启动，因此本系统选用了8位数据线宽的AM29LV033C-90EIFlash存储器，映射到CE1低地址空间。由于CE1可寻址地址线位数（20根地址线）比Flash的地址线位数（22根地址线）要少，因此使用FPGA来创建2根地址线，把Flash分为4页，每页大小为1Mbytes。协处理器FPGA与DM642数据线、地址线以及时钟信号线相连，为Flash提供2个分页信号。同时协处理器模块具有独立的供电模块和配置模块，以及仿真和程序烧写的端口，使系统具有硬件功能扩展性。视频模块主要实现视频捕获和显示功能，即实现视频信息的编解码，如图2所示。视频捕获模块中，DM642视频端口VP0和VP1与两片视频解码芯片TVP5150相连，实现视频捕获功能。DM642通过I2C总线对TVP5150进行参数配置，使其能够正常工作。TVP5150是TI公司推出的一款高性能视频解码器，可将NTSC/PAL/SE-CAM制式的视频信号转换成数字色差信号（YUV4：2：2）。它支持两个复合视频或一个S端输入，输出格式为ITU-RBT.656，使用TI专有技术锁住弱、嘈杂以及不稳定信号。视频捕获模块电路原理图如图3所示。图3TVP5150电路原理图视频显示模块中，TMS320DM642的视频端口VP2与视频编码芯片SAA7105相连，实现视频显示功能，可输出PAL/NTSC制式的复合视频信号、S端子视频信号和RGB视频信号。TMS320DM642通过I2C总线对SAA7105内部寄存器进行配置，从而实现不同类型视频信号的输出。SAA7105与TMS320DM642相连的电路原理图如图4所示。系统通过单5V供电，在板子内部转换为1.4V、1.5V、1.8V和3.3V分别为DSP内核、FPGA内核、TVP5150、DSP的I/O和其他外设供电。DM642需要1.4V内核和3.3VI/O两种电压，芯片对两者的上电顺序没有特殊要求，只要保证两种电压上电前后不超过1秒即可。利用两个开关稳压电源芯片TPS54310来产生1.4V和3.3V，同时采用电源监控芯片TL7705来保证DM642芯片在电源未达到要求电平时，不会产生失控的状态。三、系统软件设计1、软件系统整体组成基于模块化设计思想进行软件系统的设计，针对系统所要实现的功能，将其划分为初始化、视频捕获、视频处理以及视频显示四个模块，后三个模块为RF5参考框架中的三个任务，其整体框图如图5所示。2、软件系统程序流程根据系统要实现的功能，在DSP/BIOS和RF5参考框架下构建了整个软件系统。软件系统中使用了三个任务模块：视频捕获任务、图像处理任务以及视频显示任务。整个软件系统工作流程为：首先主线程序完成系统的初始化工作，即完成系统工作中要使用模块的初始化；完成初始化后，将程序控制权交给DSP/BIOS的调度程序，由它按照任务权限来调度相应的任务。整个系统程序流程如图6所示。3、模块化程序实现初始化：软件系统第一步就是要在上电后或重启后完成系统的初始化，包括处理器和系统板初始化、RF5模块初始化、视频捕获和显示通道的建立以及图像处理算法实例的建立和注册。设备重启后，通过外围设备配置寄存器（PERCFG）以软件配置的方式对外围设备进行配置和选择。DM642具有用于外围设备配置（PERCFG），设备状态（DEVS-TAT）和JTAG识别（JTAGID）的指定寄存器。这些寄存器是设备配置模块的一部分，被映射到从0x01B3F000开始的一个大小为4K的内存块中，CPU可通过配置总线来访问这些寄存器，并完成相应的配置。这部分工作通过调用编写的板级支持库中的DEyesDM642_init()函数来完成。此函数不仅对功能复用管脚进行了配置，而且还设置外部存储器扩展接口EMIF和I2C控制器。处理器和系统板初始化还包括初始化BIOS环境和CSL，设置使用64K二级高速缓存，设置二级高速缓存可映射到EMIF的CE0和CE1空间，设置DMA优先级序列长度取最大值，设置二级高速缓存的请求优先级最高。RF5模块的初始化包括：系统初始化RF5通道模块；系统初始化RF5框架中用于内部单元通讯和任务间通讯的ICC和SCOM模块；各通道在内部扩展的临时堆上完成建立。视频捕获和显示模块：视频捕获，负责将外部视频解码器TVP5150解码生成的数字视频信号实时采集到系统外扩的存储器SDRAM中。系统初始化后完成视频捕获通道的建立，视频采集单元进入自动采集状态，每场图像采集完成后视频端口自动发出中断请求，VPISR中断服务程序更新图像存储区，继续进行下一场图像的采集。当视频端口的FIFO装满数据后，会触发一个EDMA中断，进入EDMAISR中断服务程序将视频数据送入到SDRAM中。视频显示，负责将经过图像处理任务处理后的图像编码成标准数字视频流，输出给外部视频解码器SAA7105，编码生成标准模拟视频信号用于显示器的显示。在显示操作中，EDMA传输器将放置在内存中的数据送入到视频端口的FIFO中，视频端口将数据轮流输出到用于显示的外部编码器SAA7105中。当完整的一帧图像从内存传输到视频端口后会触发EDMA中断，将会送入新的一帧图像，而VPISR主要用来完成视频端口FIFO中图像存储区的更新。四、实验结果整个系统工作过程为：首先在PC机上对软件系统进行编译，生成DM642可执行文件。将数字图像处理系统的JTAG端子与USB仿真器相连，视频输入输出端子分别与CCD摄像头和显示器相连。然后给数字图像处理系统、CCD摄像头以及显示器依次上电，上电后将USB仿真器连接到PC机，将编译成功的程序下载到系统SDRAM中开始执行。数字图像处理系统开始通过CCD摄像头进行图像采集工作，同时将采集到的视频信息进行处理，并将处理后的图像信息送到显示器进行显示。处理前后的图像如图7所示，(a)为采集到的图像；(b)为图像增强处理；(c)为图像分割处理；(d)为图像边缘检测。五、总结提出并设计了以TMS320DM642为处理器的数字图像处理硬件系统，并设计了实时图像处理软件系统。TI公司为其DSP产品设计好了一套较好的小型嵌入式操作系统DSP/BIOS，使用DSP/BIOS来代替传统的DSP汇编程序，更容易分割任务给不同的人做，从而减少了开发时间。实验结果表明系统运行正常，有利于计算机视觉的后续处理，同时验证了系统硬件的可行性和可靠性，以及软件系统的有效性。