基于DSP和CPLD的视频图像采集处理的设计与实现

文章编号:1004-9037(2008)增刊-0168-05
基于DSP 和CPLD 的视频图像采集处理的设计与实现
周长林　常青美　简礼宏
(信息工程大学理学院,郑州,450001)
摘要:提出了基于D SP 和CP LD 的视频图像采集、处理系统的设计与实现方法,系统硬件平台主要由专用视频解码芯片、可编程逻辑器件以及数字信号处理器等组成。

讨论了视频图像信号处理的基本构成、原理,采用T V P 5150视频解码芯片采集视频信号、输出图像数据码流,配置X C95144CPL D 芯片进行系统逻辑控制,利用T M S320V C5416处理器和处理算法软件进行数字图像信号处理,实现了视频图像采集、存储、传输、检测和锐化。

系统设计是有效和可行的。

关键词:视频信号采集;图像处理;T M S320VC5416处理器;可编程逻辑器件;视频解码芯片T V P 5150中图分类号:T N 911;T P 391 文献标识码:A
　收稿日期:2007-10-10;修订日期:2008-06-22
Design and Realization of Video Image Acquisition and
Processing Based on DSP and CPLD
Zhou Changlin ,Chang Qingmei ,J ian L ihong
(Institute o f Science ,Infor matio n Eng ineer ing U niv er sity ,Zhengzhou ,450001,China )
Abstract :Desig n and realizatio n m ethods of v ideo image acquisition processing systems based on DSP and CPLD ar e presented .The sy stem hardw are platform co nsists of a video decoder ,a pr ogram mable logic dev ice,a dig ital signal pr ocessor ,and other dev ices.T he principle and the structure of video imag e processing are discussed.T VP5150video decoder is adopted to acquire video signal and data stream ,and XC 95144XL -CPLD dev ice is config ured for sy stem log ic con-tr ol .TM S 320VC 5416processor ,processing alg orithms and softw ar e ar e used fo r dig ital im ag e pr ocessing.Finally ,the video image acquisition,storag e and transmission,edg e detectio n and sharpening are im plemented.The results sho w the validity and feasibility of the video im ag e pr ocessing system .
Key words :video signal acquisition;imag e pro cessing ;T MS320C5416DSP;CPLD;TVP5150
video deco de
引 言
随着计算机及通信技术的发展,视频图像的处理、应用愈加重要和广泛。

视频信号的采集和图像数据的处理依赖于先进的硬件系统设计和数字信号处理方法[1]。

例如,根据图像特点和应用领域要求对图像进行增强、除噪、分割和识别等处理,有时为了有效实时地传输信息,还必须对图像进行压缩、编码[2]。

现代DSP 技术的发展和应用为实现视频图像
处理奠定了基础
[2,3]。

高性能DSP 处理器作为图像
处理首选的核心器件,并能通过软件编程灵活实现各种处理算法,提高系统处理能力和扩展系统功能[4]。

本文采用视频解码芯片采集、转换获得BT.656格式的图像数字码流,设计CPLD 作为逻辑控制器完成数字视频数据的存储、传输和时序控制,应用TM S320VC5416处理器和处理算法进行视频图像边缘检测、锐化等处理,并调试、实现了系统功能。

第23卷增刊2008年9月数据采集与处理Jo urnal of Dat a A cquisitio n &P ro cessing V ol.23N o.S Sep.2008
1　图像处理系统原理
1.1　图像处理系统结构
视频图像处理是计算机图形和数字图像通信应用领域的关键技术,基于DSP 的典型图像信号处理系统构成如图1所示[5]。

图像捕获主要应用图像传感技术获得不同类型的彩色或灰度视频图像的各种信息。

图像采集是系统的前端处理部分,将获取的连续视频信号经过防混叠滤波器、信号调理、A /D 转换成空域的数字化信号,以便应用于各种处理、传输、存储,并通过频率域分析、变换获得
更多的图像信息。

图1　视频图像采集处理原理图
图像处理包括图像预处理、分割、特征提取等环节。

图像预处理主要是经过图像增强和图像恢复,降低噪声对图像的影响,提高图像的质量。

根据图像区域内部特征或属性进行图像分析,采用边缘检测等技术将图像分割为若干个有意义的区域,获取区域特征描述,进行图像分类或分离、图像识别。

相关图像处理的实现需要高速硬件处理器和高效软件算法,使经过处理后的图像信息能更加有效地进行通信传输和存储显示。

1.2　图像处理方法
视频图像处理的基本技术是图像增强和变换,以此达到观察、识别和理解图像的目的[1]。

图像增强的目的是突出图像中的某些信息,同时削弱、去除某些不需要的信息,其实现方法有空域法和频域法。

空域法是以对图像像素直接进行处理,处理方法可以表示为
g (x ,y )=EH [f (x ,y )]
(1)
式中f (x ,y )和g (x ,y )函数分别表示增强前后的图
像,EH 代表增强操作。

根据EH 的不同操作定义,空域增强的方法通常有点运算法——灰度级变换寻找一个合适的变换,模板运算法——空域过滤器寻找一个合适的模板,几何变换法——变形矫正。

例如空域过滤器通过高通锐化达到增强被模糊的细节,使得目标和背景易于分离。

频域处理是以修改图像的傅氏变换为基础,而
图像频域增强的理论依据是卷积理论。

按照被处理
图像f (x ,y )、变换函数h (x ,y )和目标图像g (x ,
y ),获得时域卷积函数为
g (x ,y )=h (x ,y )*f (x ,y )
(2) 频域目标图像函数为
G (u ,v )=H (u ,v )F (u ,v )(3)
则频域增强原理可以表示为
g (x ,y )=F -1[H (u ,v )F (u ,v )]
(4)
对于给定的图像f (x ,y ),计算出它的傅里叶变换F (u ,v ),选择一个变换函数H (u ,v ),即获得目标图像g (x ,y ),处理后的g (x ,y )比f (x ,y )在某些方面更加鲜明、突出,易于识别和解释。

频率平面与图像空域特性密切相关,频域增强与空域增强具有相互转换关系。

图像空域特性变化平缓的部分靠近频率平面的圆心,区域特征为低频区域图像中的边、噪音、变化陡峻的部分,而以放射方向离开频率平面圆心的区域,其特征为高频区
域。

在实践中,小的空间模板增强比傅里叶变换应用普遍,它易于实现,操作快捷。

而且对于很多在空域上难以表述清楚的问题,采用频域处理就显得十分重要。

2　图像采集软硬件平台设计
由高速处理器DSP 和可编程器件CPLD 构成的图像处理系统方案在现代图像处理中占有主导地位,典型的硬件系统框图如图2所示。

图2　视频图像采集处理系统框图
2.1　视频输入采集模块
经摄像头输出标准的复合视频信号(CVBS)
包含有图像信号、行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号等。

该视频信号采用T VP5150专用视频解码芯片完成视频信号解码和转换功能[6]。

T VP5150是T I 公司开发生产的低功耗视频解码芯片,具有复合视频输入,内部有抗混叠滤波、超强的同步检测、带模拟处理功能的A/D 转换器,采用I 2C 总线进行配置编程、控制。

可以将输入的
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周长林,等:基于DSP 和CPL D 的视频图像采集处理的设计与实现
NT SC,PAL和SECAM视频信号转换成8位IT U-R BT.656格式的数字码流,同时还能输出分离的视频同步信号,供后续模块处理使用。

2.2　系统逻辑控制模块
系统采用逻辑控制芯片XC95144完成BT.656格式的图像解码和地址译码,提取码流中的同步信号、行起始和结束信号、亮度(Y)信息,去除色度信息等,并顺序存储到存储区。

设计全局控制寄存器(GCR)、状态寄存器(SR)、数据寄存器(DATAR)和I2C总线控制寄存器(I2CR)等,通过DSP总线对相关控制寄存器进行位操作、参数设置,产生必要的逻辑控制和时序。

通过I2C总线将解码得到的亮度数据发送到存储区存储或将数据从存储区读取并发送给DSP。

图像存储芯片AL422B用于存储图像解码亮度数据,其容量为393216字节(384KB),最大读写速率可达50M B/s,通过DSP的I/O口读写CPLD中的FIFO控制寄存器,实现对其复位和读写控制,存放标准视频一场的数据信息。

2.3　图像处理模块
核心数字信号处理器选用T I公司的TM S320VC5416芯片,其主要功能是从存储器读出视频数据、进行数据处理,并通过通信接口、总线输出显示或与外部交换图像数据。

TM S320VC5416处理器的内部采用程序和数据分开的改进型哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用6级流水线操作,提供特殊的DSP指令以及集成电路的优化设计,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法,非常适合低功耗图像处理系统性能要求[7]。

VC5416片上含有6通道可编程DMA控制器、8/16位并行增强主机通信接口(HPI)、3个多通道缓冲(M cBSP)串口,便于实现内部存储、片上外设、外部设备之间的数据传输。

系统设计扩展了外部存储器,包括512K字的FLASH芯片AM29LV800和128K字的SRAM芯片IS61LV6416。

其中,FLASH用来存放编写好的程序,采用16位并行引导方式实现FLA SH引导装载。

另外,处理系统通过DSP总线实现RS232、U SB 通信接口和LCD显示等功能,便于数据传输、图像显示和系统操作。

3　软件设计、实现及结果
系统应用软件包括主程序和各功能子程序,通过主程序响应子程序中断方式工作,主要过程为数据的采集、灰度直方图、边沿检测、锐化处理、输出显示等。

为了实现快速处理,采用C语言和汇编语言混合编写,核心处理程序采用汇编语言编写,保证在一个重复周期内将数据处理完毕。

以下仅讨论视频信号的采集以及边缘检测、锐化处理软件的设计。

3.1　图像采集与存储
图像采集部分程序设计主要通过配置控制寄存器,实现采集现场视频图像。

一场标准PAL制视频图像的像素分辨率为720x288,图像中每像素用8位二进制数表示,取值0-255表示不同的亮度信息。

在此过程中I2C总线和图像存储芯片对时钟的速度要求不同,可以通过DSP的时钟控制寄存器来控制DSP的运行时钟速度以实现其不同的要求,本部分还包括FIFO的复位及读写时序控制。

程序流程图如图3(a)所示。

3.2　图像边缘检测
图像边缘是图像分割处理所依赖的重要特征。

图像的边缘是反映其灰度的不连续性,利用边缘临近一阶或二阶方向导数变化规律(边缘检测局部算子法)可以简单地检测图像边缘。

边缘检测算子检查每个像素的邻域并对灰度变化率进行量化,也包括方向的确定。

基于方向导数掩模求卷积的方法,采用两个卷积核构造Sobel边缘检测算子,进行边缘加权平均处理,Sobel算子如下:
-1-2-1
000
121
-101
-202
-101
图像中的每个点都用这两个核做卷积,一个核对通常的垂直边缘相应最大,而另一个对水平边缘相应最大,两个卷积的最大值作为该点的输出位,运算结果是一幅边缘幅度图像。

边缘检测子程序如图3(b)所示。

4.3　图像锐化处理
图像的锐化处理可以使模糊的图像变得更加清晰。

图像模糊是受到平均或积分运算造成的,对图像进行微分逆运算能使图像清晰化。

从频谱的角度来分析,图像模糊的实质是其高频分量被衰减,可以通过高通滤波操作来使图像清晰化。

并且原图像信噪比越高,锐化处理效果越好,因此一般是先去除或减轻噪声后再进行锐化处理。

拉普拉斯锐化(Laplace算子)是常用的一种图
170数据采集与处理第23卷
图3　图像采集、边沿检测、锐化处理程序流程图
像锐化方法,它是偏导数运算的一种各向同性的线性运算。

设 2f 为拉普拉斯算子,则:
2
f = 2f x 2+
2f
y 2
(5)
对于离散数字图像f (x ,y ),由其一阶和二阶偏导可得到
2
f =f (x -1,y )+f (x +1,y )+
f (x ,y +1)+f (x ,y -1)-4f (x ,y )
(6)
对于扩散现象引起的图像模糊,锐化处理为
g (x ,y )=f (x ,y )-k 2f (x ,y )
(7)
式中k 是与扩散效应有关的系数,k 过大会使图
像轮廓边缘产生过冲,k 过小锐化效果就不明显。

由其公式可以看去,其运算可以转换成模板运算,常用的拉普拉斯(Laplace)锐化模板有4邻域模板和8邻域模板,处理模块分别表示为
0-10-1
5
-10-10
-1-1-1-1
9
-1
-1-1-1 4邻域模板 8邻域模块
拉普拉斯模板锐化子程序如图3(c )所示。

3.4　实验结果分析
在CCS 集成开发环境下分别进行视频图像采集、边缘检测和锐化等应用程序编写、调试、编译、下载和运行,获得结果分别如图4所示。

图4(a )显示边缘检测效果,原始视频图像由连
续灰度、模糊边界组成,处理结果图中有明显边缘信息显示。

经过Sobel 算子的检测,突出了亮度变换剧烈的边缘,变化得越剧烈,检测值越大。

分析Sobel 算子运算结果,可以发现所采用的两算子对由暗到亮的边缘敏感,对由亮变暗的边缘不敏感。

如果需要增加由亮变暗的敏感度,需要再构造另外两个相反的算子参与计算。

图4(b )显示图像经锐化处理的效果,原图像分区交接处存在不太明显的边缘,拉普拉斯锐化算子突出了图像各灰度区域条连接的地方,使得在原先暗区和亮区的不太明显的分界变得明显了,锐化操作使原先图像的细节更加显露出来。

经过边缘检测和锐化处理能使图像易于分割和识别。

图4　图像边缘检测及锐化处理效果图
5　结束语
视频图像采集、处理系统设计应用数字信号处理器T M S320C5416和可编程逻辑器件CPLD 结合方法构造硬件平台,采用C 语言和汇编语言编写DSP 应用程序,实现了视频图像信号的采集、
灰度直方图、边缘检测和锐化等处理功能。

通过系统调试、运行和视频信号的实时采集、存储,获得了图像处理前后效果图,实验表明图像处理算法简单、效果明显,通过进一步优化后系统具有实用性。

本系统的主要特点为集成度高、低功耗、通用性强,系统灵活性好、升级方便,能实时采集、传输、显示视频图像。

本系统可以用于视频图像获取、传输和编解码算法的设计与评估,在视频图像捕获、跟踪、检测和信息识别等方面具有工程实用性。

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作者简介:周长林(1961-),男,副教授,研究方向:信息系统设计,信号处理,电磁兼容,E-mail:zcl31233@to m.co m;常青美(1964-),女,副教授,研究方向:信号处理电路与系统;简礼宏(1982-),男,研究生,研究方向:嵌入式系统。

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