前言花了一天時(shí)間看了15篇文章終于搞出這么篇綜述來,完全是為了3個(gè)學(xué)分,除了摘要和結(jié)論其他的基本上不是我寫的.我大概了解了一下,其他人都只找了一篇文章就開始寫了,真是佩服他們的勇氣和膽量.我還是對(duì)得起這3個(gè)學(xué)分的.
DSP在圖像處理中的應(yīng)用與發(fā)展
摘要:圖像處理與識(shí)別是DSP應(yīng)用中的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域。隨著近年來對(duì)圖像高速實(shí)時(shí)處理的要求,基于DSP的數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速,在超聲圖像、紅外圖像、天文圖像、醫(yī)療影像和軍事等領(lǐng)域等到了廣泛的應(yīng)用。其目前主要向著多DSP并行運(yùn)算、多CPU實(shí)時(shí)系統(tǒng)、分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)等方向發(fā)展。而一些新的數(shù)學(xué)方法像模糊論集的引入、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的實(shí)用化以及分形幾何學(xué)的應(yīng)用尤其是小波變換正逐步應(yīng)用于處理圖像的DSP系統(tǒng)中。這使得用于圖像處理的DSP系統(tǒng)向著集成化、并行化、開發(fā)簡易化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。
1 DSP和圖像處理技術(shù)的發(fā)展概況
基于DSP的數(shù)字圖像處理技術(shù)是一種新興的邊緣融合技術(shù),可以通俗的理解為DSP與圖像處理的結(jié)合,現(xiàn)今,它逐步的走向成熟。成為一門新興的學(xué)科,越來越多的人們投入到了它的研究中。隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展,DSP技術(shù)越發(fā)成熟,數(shù)字圖像仿真技術(shù)可以通過DSP芯片實(shí)現(xiàn)。圖像視頻的應(yīng)用愈加廣泛,大部分圖像數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用前需進(jìn)行有針對(duì)性的處理,如根據(jù)圖像數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像進(jìn)行增強(qiáng)、去除噪聲、銳化和識(shí)別等等,此外,為了有效實(shí)時(shí)地傳輸信息,還必須對(duì)圖像進(jìn)行有效的壓縮處理。
圖像處理與識(shí)別是DSP應(yīng)用中的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域,在調(diào)試過程中圖像處理開發(fā)者可以對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu),以直觀評(píng)價(jià)算法的性能。CCS是一種集成性的軟件開發(fā)工具,它支持以圖像的方式將存儲(chǔ)器中的圖像重構(gòu),并且可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤中,便于采用其它軟件進(jìn)行圖像重構(gòu)和直觀評(píng)價(jià)。CCS支持RGB和YUV等圖像數(shù)據(jù)存放方式。采用MATLAB對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列操作后也可以重構(gòu)圖像。
可以預(yù)見,隨著以DSP芯片為主導(dǎo)的數(shù)字圖像產(chǎn)品將會(huì)不斷面世,兩者在硬件語言方面必須統(tǒng)一起來,這樣,真實(shí)的數(shù)字圖像才會(huì)在模擬視頻中更真實(shí),更完美。
1.1圖像處理技術(shù)的發(fā)展
圖像是人類獲取和交換信息的主要來源, 人類感知外界信息80%以上是通過視覺得到的。因此,圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及人類生活和工作的方方面面。圖像處理或圖像分析方法的應(yīng)用越來越廣泛,其主要理論基礎(chǔ)是形態(tài)數(shù)學(xué)、立體學(xué)、集合論等。圖像處理雖然也可以用光學(xué)方法或模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn),但目前主要是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),稱為數(shù)字圖像處理。因此, 圖像處理一般是指數(shù)字圖像處理。
圖像處理是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、計(jì)算機(jī)更新速度的加快、人們思想文化素質(zhì)的提高,人們對(duì)圖像的要求也越來越高。因此,如何把原始圖像與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來, 從而創(chuàng)作出許多更加完美的圖像, 滿足人們的需求,已成為人們新的需求。目前數(shù)字圖像處理研究有以下幾方面: 一是圖像數(shù)字化, 即將一幅光學(xué)圖像表示成一組數(shù)字,使圖像既不失真又便于計(jì)算機(jī)分析處理; 二是圖像的編碼, 即簡化圖像的表示,壓縮表示圖像的數(shù)據(jù), 以便于存儲(chǔ)和傳輸; 第三,圖像的增強(qiáng), 即加強(qiáng)圖像的有用信息, 削弱干擾和噪聲; 第四, 圖像的恢復(fù), 即把退化、模糊了的圖像復(fù)原; 第五,圖像的重建,即由二維圖像重建三維圖像; 第六, 圖像的分析[1]。
1.2DSP的發(fā)展
從上世紀(jì)80 年代開始起步的DSP 市場,目前正處于高速成長的階段。在數(shù)字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動(dòng)下,1997 年世界DSP 市場營銷額超過32億美元,預(yù)計(jì)未來的年均增長率高達(dá)40%,至2007年,世界DSP市場營銷額突破500億美元。
在近20多年時(shí)間里,DSP芯片的應(yīng)用已經(jīng)從軍事、航空航天領(lǐng)域擴(kuò)大到信號(hào)處理、通信、雷達(dá)、消費(fèi)等許多領(lǐng)域。主要應(yīng)用有:信號(hào)處理、通信、語音、圖形、圖像、軍事、儀器儀表、自動(dòng)控制、醫(yī)療、家用電器等。DSP 主要應(yīng)用市場為3C領(lǐng)域,合占整個(gè)市場需求的90%。 數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力,使得移動(dòng)通信的蜂窩電話重新崛起,并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA 等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)。 在Modem 器件中,DSP更是成效卓著,不僅大幅度提高了傳輸速率,且具有接收動(dòng)態(tài)圖像能力。另外,可編程多媒體DSP 是PC 領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSLModem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合,使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。用于圖像處理的DSP,一種用于JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理;另一種用于動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理[2]。
2 基于DSP的圖像處理技術(shù)的應(yīng)用
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字圖像處理廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)控制以及人們生活的各個(gè)領(lǐng)域, 并隨之出現(xiàn)了如下的圖像處理平臺(tái): PC、DSP 和特定用途的集成電路ASIC。PC機(jī)處理速度快, 但是體積、重量、功耗都偏大, 從而導(dǎo)致其移動(dòng)性能和可嵌入性能比較差。ASIC 的移動(dòng)性能和可嵌入性能都很好,但是其兼容性能比較差,缺乏處理多種圖像處理算法的靈活性。DSP平臺(tái)具有小型化、功耗小、算法處理靈活等特點(diǎn)。利用通用可編程DSP芯片,DSP實(shí)現(xiàn)圖像處理較之其他方式具有一定的優(yōu)越性。 而且DSP芯片的可編程性和強(qiáng)大的處理能力,使其可用于快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法,成為目前圖像處理系統(tǒng)的最佳選擇[3]。
2.1DSP在超聲圖像處理中的應(yīng)用
由于其成像原理的特殊性,使得超聲圖像與普通的圖像相比噪聲干擾更大,超聲圖像中還有可能存在偽像,種種原因就使得對(duì)超聲圖像的處理更加復(fù)雜。以TMS320DM642 為核心, 輔以視頻編解碼芯片和周圍輔助電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲圖像的實(shí)時(shí)處理。TMS320DM642是TI公司推出專門用于多媒體處理的DSP,其三個(gè)視頻接口支持視頻捕獲模式和視頻顯示模式,可以與視頻芯片直接連接。由于軟件算法對(duì)超聲圖像的質(zhì)量要求頗高,所以在設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮視頻編解碼芯片的性能能否滿足要求[4]。
2.2DSP在紅外圖像處理中的應(yīng)用
隨著非致冷紅外焦平面陣列探測器的進(jìn)步,熱成像技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于電力、醫(yī)療、軍事、交通等眾多領(lǐng)域。由于紅外圖像的形成一般來源于多元探測器的輸出信號(hào),而不同的紅外探測器單元的響應(yīng)存在較大差異,從而使紅外圖像產(chǎn)生空間不均勻。同時(shí)紅外圖像的信噪比一般比可見光CCD圖像低,普遍存在目標(biāo)與背景對(duì)比度較差、邊緣模糊、噪聲較大等特點(diǎn),對(duì)此類圖像需要進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng),使原來人眼不易識(shí)別的目標(biāo)顯現(xiàn)出來。實(shí)時(shí)地獲取高質(zhì)量的紅外圖像已成為紅外成像技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。
一種基于TI 公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6201為核心器件的實(shí)時(shí)非致冷紅外圖像處理系統(tǒng),該系統(tǒng)通過USB2. 0 接口與PC 機(jī)通信,由PC 機(jī)完成圖像的偽彩色處理與顯示。 提出了一種新的基于Curvelet 變換紅外圖像增強(qiáng)算法,由于Curvelet變換以邊緣為基本表示元素,具有完備性,能很好地適合圖像的特點(diǎn),仿真結(jié)果表明該方法優(yōu)于傳統(tǒng)地增強(qiáng)方法。該系統(tǒng)在DSP上實(shí)現(xiàn)了所提出的紅外圖像增強(qiáng)算法及基于兩點(diǎn)法的紅外圖像非均勻校正[5]。
2.3DSP在天文圖像處理中的應(yīng)用
20世紀(jì)80 年代以來,隨著CCD(電荷耦合器件)技術(shù)的逐漸成熟,CCD 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、國防等各個(gè)領(lǐng)域。CCD具有光電轉(zhuǎn)換效率高、線性度好和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),是空間目標(biāo)光電探測不可缺少的工具。
目前,國內(nèi)外很多天文臺(tái)已經(jīng)建立起了各種基于CCD技術(shù)的天文圖像采集與處理系統(tǒng)。不過它們的圖像處理過程一般都是將CCD采集到的天文圖像通過特定的數(shù)據(jù)接口下傳到普通的計(jì)算機(jī)或?qū)S玫膱D像處理板上進(jìn)行處理,因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、處理速度有限。而采用DSP構(gòu)成的圖像系統(tǒng)可以與圖像采集系統(tǒng)集成到一起的圖像處理系統(tǒng)。這樣,圖像采集系統(tǒng)在CCD相機(jī)通過其它接口向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送原始圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)也把圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,這將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的處理性能,同時(shí)也簡化了系統(tǒng)的互連方式。系統(tǒng)可使用TI 公司的TMS320C6416T。該芯片是TI公司專門針對(duì)圖像處理應(yīng)用而推出的一款高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片,該芯片采用超長指令字結(jié)構(gòu),工作主頻高1GHz,芯片內(nèi)部有8個(gè)并行處理單元,當(dāng)8個(gè)單元并行運(yùn)行時(shí)最大處理能力可以達(dá)800MIPS。為了高速實(shí)時(shí)地對(duì)圖像采集系統(tǒng)采集的天文圖像進(jìn)行處理,需要將有效的圖像處理算法在DSP 硬件上予以實(shí)現(xiàn)[6]。
2.4DSP在醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中的應(yīng)用
膠囊內(nèi)窺鏡或無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)一般由三部分組成:微型攝像單元、視頻圖像數(shù)據(jù)源記錄系統(tǒng)、影像工作站。其中視頻圖像數(shù)據(jù)源記錄系統(tǒng)是確保微型攝像單元所拍攝視頻圖像可靠傳輸及存儲(chǔ)的關(guān)鍵,同時(shí)也為影像工作站提供最為兼容的圖像數(shù)據(jù)。它的可靠性直接影響到整個(gè)無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的功能。而傳統(tǒng)的視頻記錄儀多采用模擬磁帶錄像技術(shù),這種方法記錄圖像質(zhì)量差、時(shí)間短、且由于磁帶的磨損而容易產(chǎn)生干擾和噪聲等。系統(tǒng)以TI公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6211 為核心處理器,采用PHILIP 公司視頻解碼器SAA7114H 對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)縮放,在復(fù)雜可編程邏輯控制電路的控制下,視頻圖像數(shù)據(jù)由高速緩存先入先出隊(duì)列傳輸?shù)紻SP 進(jìn)行靜止影像數(shù)字壓縮通用標(biāo)準(zhǔn)格式(JPEG) 壓縮,最后將處理后的圖像數(shù)據(jù)存入高密度閃存卡,完成視頻圖像的及時(shí)記錄功能。其中DSP主要用來進(jìn)行壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸,我們采用離散余弦算法和DCT系數(shù)量化的快速算法加快了DSP的運(yùn)算速度,減少了DSP的執(zhí)行代碼,同時(shí)我們對(duì)各種存儲(chǔ)類型進(jìn)行了合理的分配,優(yōu)化了存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中大量使用擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問來加快處理數(shù)據(jù)的速度并提高了系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)具有體積小、采樣率高、存儲(chǔ)容量大、記錄時(shí)間長及功耗低等特點(diǎn)[7]。
3基于DSP的圖像處理技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著圖像處理技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用,不斷涌現(xiàn)的處理算法和各種現(xiàn)實(shí)需求對(duì)硬件系統(tǒng)性能的要求越來越高,單一處理器在許多場合已不能滿足需要,并行、通用且處理能力強(qiáng)大的系統(tǒng)逐漸受到人們的青睞。另外尋求新的數(shù)學(xué)算法來強(qiáng)化信息的表達(dá)能力是科學(xué)家們滿足這種需要而進(jìn)行的一項(xiàng)重要探索。像模糊論集的引入、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的實(shí)用化以及分形幾何學(xué)的應(yīng)用都是其中的成功范例。小波分析是一個(gè)新的數(shù)學(xué)分支,它被諭為是泛函分析、Fourier 分析、樣條分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美結(jié)晶,如何把新的數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)處理也是近年來科學(xué)家們正在研究的課題。
3.1多DSP并行處理系統(tǒng)
按照Flynn 分類法,并行系統(tǒng)按照處理指令流和處理數(shù)據(jù)流的多樣性,可分為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)系統(tǒng)、SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)系統(tǒng)、MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)系統(tǒng)和MIMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展,SISD 系統(tǒng)和曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的SIMD 系統(tǒng)逐漸淡出了歷史舞臺(tái);關(guān)于MISD 結(jié)構(gòu),正像Flynn 和Rudd 所指出的,從熟悉的編程結(jié)構(gòu)到MISD組織缺乏自然的映射,這抑制了人們對(duì)該體系結(jié)構(gòu)的興趣。當(dāng)代絕大多數(shù)并行系統(tǒng)都屬于MIMD 系統(tǒng)。
TI 公司的DSP 在全球市場上的占有率在一半以上,而TMS320C6416則是其最高端的產(chǎn)品,具有主頻高、雙套外部地址和數(shù)據(jù)總線等特點(diǎn),非常適合用于圖像處理等領(lǐng)域,但是在多芯片集成處理上AD 公司的DSP 芯片性能更好一些。圖像處理算法靈活多樣,而且還在不斷的迅速發(fā)展中。從通用性考慮出發(fā),系統(tǒng)中處理器之間需要靈活的、高帶寬的通信和握手機(jī)制[8]。多處理器系統(tǒng)需要考慮兩方面的性能:計(jì)算能力和通信能力。主要包括分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能、圖像處理能力和圖像序列并行處理能力[9]。
3.2基于小波變換的圖像處理方法在DSP上的實(shí)現(xiàn)
小波分析是近年迅速發(fā)展起來的新興學(xué)科, 與Fourier 分析和Gabor變換相比,小波變換是時(shí)間(空間)頻率的局部化分析, 它通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化, 最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分和低頻處頻率細(xì)分,能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求,從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié),解決了Fourier分析不能解決的許多問題。目前許多小波算法的軟件實(shí)現(xiàn)已經(jīng)很成熟了,但是很難達(dá)到實(shí)時(shí)性的效果。而在硬件方面,隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列器件(FPGA)的發(fā)展,采用DSP+FPGA 的數(shù)字硬件系統(tǒng)顯示出其優(yōu)越性,可以把二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,兼顧速度和靈活性,因此DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)正愈來愈得到人們的重視, 應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。DSP+FPGA 系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活,有較強(qiáng)的通用性,適合于模塊化設(shè)計(jì),從而能夠提高算法效率;同時(shí)其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)容易維護(hù)和擴(kuò)展,適合實(shí)時(shí)信號(hào)處理。所以本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是基于DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)的小波圖像處理系統(tǒng)。小波分析由于具有良好的時(shí)頻局部化性能,已經(jīng)在信號(hào)分析、圖像處理、語音合成、故障診斷、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域取得一系列重要應(yīng)用。而且各種快速有效的算法也促進(jìn)了小波分析在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于DSP 速度越來越快, 成本越來越低,FPGA 的容量越來越大,使得DSP+FPGA組成的系統(tǒng)成為解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要選擇方案之一,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[10]。

4 結(jié)論
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,對(duì)實(shí)時(shí)圖像處理的要求也將進(jìn)一步提高?;贒SP的圖像處理技術(shù)將成為滿足這一要求的主要技術(shù)手段,必然會(huì)推動(dòng)這一技術(shù)的高速發(fā)展。從芯片方面看,用于圖像處理的DSP芯片會(huì)向著更加集成化、專業(yè)化方向發(fā)展,一些特定的圖像處理算法將由特定的指令完成同時(shí)開發(fā)系統(tǒng)將進(jìn)一步簡化,一些常用處理算法會(huì)作為標(biāo)準(zhǔn)庫提供給開發(fā)者,使開發(fā)者專心于整體功能的實(shí)現(xiàn)。從硬件系統(tǒng)來看處理系統(tǒng)將更加快速靈活。硬件系統(tǒng)主要通過多DSP并行處理系統(tǒng)和配合FPGA等輔助控制器來提高運(yùn)算速度和靈活性。在軟件系統(tǒng)方面,實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)分布式操作系統(tǒng)將成為開發(fā)者的主要工作平臺(tái)。而在圖像處理算法上,也必將向著便于發(fā)揮并行DSP能力方面有所改進(jìn)。
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