數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用

哈爾濱工程大學(xué)　毛曉琦

數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用

哈爾濱工程大學(xué)毛曉琦

由于時(shí)代的進(jìn)步，最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)上被大力的推廣。本文對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，供專業(yè)人士參考借鑒。

數(shù)字；信號(hào)；處理；圖像

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)性的處理設(shè)備，通過數(shù)值計(jì)算的方式，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行估值、采集、加工、處理，方便信息的應(yīng)用和提取目的。專業(yè)人士對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理的期望是速度快、抗干擾能力強(qiáng)、造價(jià)低，該種技術(shù)預(yù)期目標(biāo)，對(duì)于領(lǐng)域內(nèi)的研究人員提出更高的要求標(biāo)準(zhǔn)。

一、定義

數(shù)字處理技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)處理作為基礎(chǔ)的一種圖像處理方式，其將圖像的信號(hào)轉(zhuǎn)化成為具體的數(shù)學(xué)信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效的編碼、增強(qiáng)、復(fù)原、提取、解除噪音等，該種處理技術(shù)在各個(gè)行業(yè)被大力的推廣應(yīng)用，特別是在圖像處理領(lǐng)域，為行業(yè)發(fā)展帶來全新的技術(shù)服務(wù)。

二、發(fā)展

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具體指將信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字的形式，進(jìn)一步處理技術(shù)和理論，借助應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)于信號(hào)展開加工處理 。由于近年來計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)技術(shù)在更多的行業(yè)中被推廣應(yīng)用。自從數(shù)字圖像處理行業(yè)中應(yīng)用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，整個(gè)行業(yè)內(nèi)部得到快速的發(fā)展。其中DSP是數(shù)字信號(hào)處理器的一種縮寫，其作為一種高速專用的微處理器，關(guān)鍵的特點(diǎn)是數(shù)字運(yùn)算功能非常的強(qiáng)大、資源更加的豐富、高速輸入輸出，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)中速度非?？?，被專業(yè)應(yīng)用與處理以運(yùn)算為主的實(shí)時(shí)信號(hào)。從上個(gè)世紀(jì)的60年代開始，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)被提出，經(jīng)歷過幾十年的發(fā)展，逐步形成了DSP的理論內(nèi)容和算法內(nèi)容。早期的時(shí)候，將理論實(shí)際應(yīng)用實(shí)際中，研制出數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中包括分立元件構(gòu)成，主要的被應(yīng)用到美國(guó)的航天或是軍事各個(gè)部門，該技術(shù)的應(yīng)用意味著數(shù)字信號(hào)處理器真正的出現(xiàn)。到1982年的時(shí)候，全世界范圍內(nèi)的收割DSP芯片被美國(guó)的某一個(gè)公司研究出來，在后期的26年中，由于各種新技術(shù)理論的不斷出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品以每二到三年的速度快速更新，以目為例子，TMS320C6416T是性能較為高的一種定點(diǎn)型DSP，其是根據(jù)第二代的高性能先進(jìn)性高速超長(zhǎng)字指令結(jié)構(gòu)發(fā)展形成的，利用0.09um的加工工藝，在邊界執(zhí)行掃描IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，核電壓為1.2V，提供出64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA數(shù)據(jù)傳輸總線，在1GH時(shí)鐘頻率下8位數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到了8000MIPS，16位的乘法運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到4000MMACS，每個(gè)時(shí)鐘周期能夠支持8條32位的指令執(zhí)行運(yùn)行。同時(shí)芯片內(nèi)部提供了60路384Kbps或是10路2Mbps的傳輸控制協(xié)議，支持3GPP系統(tǒng)，基本一個(gè)DSP系統(tǒng)內(nèi)部除了DSP芯片之外，還必須具備外接存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器包括FLASH ROM，其中的AT29LV系列，應(yīng)用反饋速度快、電可策劃案除。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以選擇應(yīng)用SRAM或是DRAM，雙端口的存儲(chǔ)器適合使用在速度更快的場(chǎng)合，內(nèi)部具有仲裁電路，在兩個(gè)不同的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，隔離輸出設(shè)備或輸入設(shè)備，還能夠支持大規(guī)模信號(hào)處理場(chǎng)合，例如數(shù)據(jù)運(yùn)算量非常龐大的圖像實(shí)時(shí)壓縮處理，3GPP2、3GPP2等。

三、主要應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在圖像處理技術(shù)中的應(yīng)用主要還體現(xiàn)在圖像變換工作中，如果需要處理的圖像矩陣非常大，那么在空間域中處理就會(huì)需要很大的計(jì)算量，所以通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來展開有效的處理，將空間域的處理轉(zhuǎn)換成為換域處理，如此才能夠減少工作量，提高計(jì)算的綜合準(zhǔn)確度，為圖像變換的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在圖像描述中的應(yīng)用是對(duì)于相對(duì)比較簡(jiǎn)單的二值圖像運(yùn)用幾何特性進(jìn)行描述，通常圖像描述的方式是應(yīng)用二維形狀，根據(jù)數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，三維形狀的圖像描述已經(jīng)逐步形成，圖像描述成為圖像識(shí)別和理解的前提。

由于半導(dǎo)體加工技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，更多的模擬電路逐漸的退出了歷史應(yīng)用的舞臺(tái)，數(shù)字化時(shí)代正在用快速的，不可逆轉(zhuǎn)的形式應(yīng)用到人類社會(huì)化的更多領(lǐng)域中，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和DSP芯片逐漸的成為決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵性基礎(chǔ)元件。例如部分的系統(tǒng)內(nèi)部要求具有較高的性能，可以利用無線基礎(chǔ)設(shè)施、視頻基礎(chǔ)設(shè)施、監(jiān)視IP攝像機(jī)、流媒體、機(jī)頂盒、便攜式媒體設(shè)備、IP視頻電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等，部分的系統(tǒng)要求低的功耗，例如便攜式消費(fèi)品、無線調(diào)制解調(diào)器、電信高頻無線電和導(dǎo)航系統(tǒng)、個(gè)人醫(yī)療設(shè)備、組網(wǎng)、因特網(wǎng)音頻、遠(yuǎn)程信息處理、生物辨識(shí)等；部分的系統(tǒng)要求最優(yōu)化的控制，例如數(shù)字電流、白色商品、工業(yè)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品、嵌入式傳感和測(cè)量等。

1.DSP典型圖像采集簡(jiǎn)易系統(tǒng)

目前DSP典型圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包括攝像頭，A/D，圖像預(yù)處理和控制，DSP，PC機(jī)、幀存儲(chǔ)器、最后形成FLASH。該系統(tǒng)是將模擬攝像頭CCD采集的圖像經(jīng)過視頻的a/d芯片轉(zhuǎn)換后，有FPGA控制寫入片外大容量的幀存儲(chǔ)器內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)，最后通過總線送到DSP芯片中進(jìn)行壓縮性處理，然后通過PC機(jī)存儲(chǔ)，最終輸出具體的圖像。

2.典型圖形采集復(fù)雜系統(tǒng)

由于行業(yè)的快速發(fā)展，各種實(shí)際客戶的需求逐漸的增多，包括要求圖像數(shù)據(jù)無損實(shí)時(shí)壓縮和傳遞、光譜范圍較寬、在某些特定的位置應(yīng)該將圖像數(shù)據(jù)無損及時(shí)的壓縮，通過存在，在條件允許的狀況下，利用數(shù)據(jù)打包后傳輸?shù)浇邮照局?，過去的簡(jiǎn)單系統(tǒng)機(jī)構(gòu)逐步的不能夠滿足光譜跨度較大的圖像無損壓縮需求，那么在很多數(shù)據(jù)運(yùn)算量更高的場(chǎng)合就利用數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)中，將FPGA作為主要的控制部分，通過其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，兩片DSP合作，最終提升數(shù)據(jù)壓縮速率，F(xiàn)PGA應(yīng)用ALTERA公司內(nèi)部的高端Stratix IV GX FPGA ，DSP選擇使用美國(guó)公司的定點(diǎn)型最高性能的TMS320C6455-1200，或是應(yīng)用AD公司的浮點(diǎn)型ADSP-21369KBPZ-3A，這些都能夠滿足具體的應(yīng)用要求，工作的原理是利用數(shù)據(jù)交換部分的SRAM、FPGA，其中FPGA關(guān)鍵是用于控制SRAM，A/D和D/A的數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序，利用DSP數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)處理的部分主要是包括FLASH和DSO構(gòu)成，利用FLASH作為系統(tǒng)的整體內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，在每一次系統(tǒng)上電之后，DSP組通過芯片自舉的方式將FLASH讀入程序，通過該程序的引導(dǎo)程序，繼續(xù)將其他的主要程序調(diào)入到DSP片內(nèi)的SRAM中，在后期的運(yùn)行環(huán)節(jié)中，DSP從片內(nèi)SRAM中讀取程序，當(dāng)FPGA控制數(shù)據(jù)進(jìn)不到SRAM之后，會(huì)發(fā)送中斷性的信號(hào)到對(duì)應(yīng)的DSP芯片中。如果DSP芯片接收到中斷的信號(hào)，就會(huì)在SRAM中讀取具體的視頻圖像數(shù)據(jù)，通過對(duì)應(yīng)的先進(jìn)算法進(jìn)行圖像的壓縮處理，將壓縮處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，最終將數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)的存儲(chǔ)模擬塊中，或是將處理后的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包，將數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到壓縮系統(tǒng)的存儲(chǔ)模塊中，最終送到輸出模塊，最后直接性的輸出，在圖像數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)中，DSP利用ISA總線和PC主機(jī)進(jìn)行通訊，最終獲取圖像處理參數(shù)，傳回具體的處理結(jié)果，DSP芯片組和FPGA之間的配合加工整個(gè)的圖像卡數(shù)據(jù)處理作為核心，從具體的FLASH中獲取程序后，使用FPGA提供的地址信號(hào)和片選信號(hào)，在SRAM中獲取相關(guān)的視頻圖像數(shù)據(jù)，整個(gè)的系統(tǒng)中，DSP芯片組和FPGA的硬件性能以及對(duì)應(yīng)的壓縮算法將對(duì)于整個(gè)的圖像處理系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。

［1］張婷.淺析數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展應(yīng)用［J］.科技信息技術(shù)論壇，2014.

［2］王紅.數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景［J］.質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，2015（12）.

［3］張婷.數(shù)字圖像的紋理特征和分類研究［J］.行業(yè)專業(yè)研究，2015.