信号处理系统的结构及在图像处理中的应用

信号处理系统的结构及在图像处理中的应用

摘要:

本文主要介绍了信号处理系统的结构，以及基于DSP的数字信号处理系统在图像处理中的典型应用。现代信息技术的迅猛发展,使得待处理的信息量急剧增加,图像处理方面的研究与应用,尤其是实时图像处理引起了更广泛的关注。近年来,DSP技术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中,并且推动了新的理论和应用领域的发展,对图像处理等领域的技术发展也起到了十分重要的作用。

关键词：信号处理系统DSP图像处理

Abstract：

This paper mainly introduces the structure of the signal processing system, and digital signal processing system based on DSP in the typical application in image processing. The rapid development of modern information technology, has sharply increased the amount of information to be processed, the research and application of image processing, especially the real-time image processing has attracted wider attention. In recent years, the development of DSP technology to put theoretical research achievements in the field of digital signal processing is applied to the actual system, and promote the development of the new theory and application field, the technique development of image processing and other fields has played a very important role Key words: The signal processing system DSP image processing

第一章信号处理系统的结构

1.1 信号处理系统的构成

典型的信号处理系统主要由传感器(输出电压、电流、电阻、电容、光功率)、信号形式变换电路（转换为电压既模拟信号）、信号调理电路（放大、滤波、前后级匹配）、模数转换、数字信号处理系统、数模转换或数字输出、信号调理电路、信号形式变换电路等组成。

典型的信号处理系统示意图

1.2 数字信号处理系统的构成

其中的数字信号处理系统主要指系统中的数字部分，包括：模数转换器、数字信号处理器、数模转换器、存储器。数字信号处理系统如图1.2所示

数字信号处理系统

(1)A/D、D/A

A/D、D/A是模拟量和数字量之间的桥梁，其转换速度、转换精度(位数)、线性度等指标要兼顾系统对模拟量和数字量的要求。如：A/D的转换速度对模拟量来说要满足采样定理的要求，对数字信号处理器来说要满足吞吐量和处理速度的要求。(太慢则信号产生混叠，太快则处理器溢出)

(2) 数字信号处理器

处理器的种类繁多，包括DSP、FPGA、MCU(单片机)、专用数字信号处理芯片。在实际使用中，DSP、FPGA、MCUP(单片机)、专用数字信号处理芯片经常是相互配合、取长补短来使用的，如DSP＋FPGA，FPGA+MCU，DSP(FPGA)＋专用数字信号处理芯片。

1.3 数字信号处理技术

数字信号处理技术(Digital Signal Processing)是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理技术，以实现提取信息和便于应用的目的。人们总是希望数字信号处理系统具有速度快、抗干扰能力强、灵活精确且造价低，这样就不可避免的对科研及工程技术人员提出了越来越高的期望和要求。

1、数字信号的特点

数字信号(Digital Signal)是对模拟信号只在有限的时间点上取值，数值离散化后具有有限个电平的信号，这种信号非常适合计算机处理。数字信号包括确定性信号、平稳随机信号、一维及多维信号、单通道和多通道信号。

2.数字信号处理技术的发展

数字信号处理器(DSP)是一种高速专用的微处理器，其主要特点是：数学运算功能强大，资源丰富，高速输入输出以及高速率传输数据，专门处理以运算为主的实时信号处理。自上个世纪60 年代提出数字信号处理技术以来，经历近十年的发展，产生了DSP理论和算法,在当时，把理论实际应用到实际研制出的数字信号系统则是由分立元件组成的，且主要应用于美国的军事、航天等关键部门。1982年，世界上首枚DSP芯片诞生于美国TI公司，在这二十六年中，随着各种先进技术的不断出现，促使其产品以每2~3年更新一代的速度迅猛地发展着。通常一个DSP系统除了DSP芯片外，还需外接存储器。目前外部程序存储器一般可选用FLASH ROM，如AT29LV系列，速度快，电可擦除。数据存储器可以考虑DRAM或SRAM，而双端

口存储器适用于速度要求更高的场合，内部带有仲裁电路，可在两个端口同时实现数据的输入和输出，隔离输入与输出设备，可以充分支持大规模数字信号处理场合，如数据运算量十分庞大的图像实时压缩处理、3GPP和3GPP2等。

3.数字信号处理的主要应用

随着半导体加工技术的不断发展，越来越多的模拟电路退出了历史舞台，数字化时代正以不可逆转之势充斥着人类的许多领域，数字信号处理技术以及DSP芯片已成为不可替代的决定系统性能优劣的基础性元件。比如有的系统要求较高性能：数字摄像机、IP视频电话、便携式媒体设备、机顶盒、流媒体、监视IP摄像机、视频基础设施、无线基础设施等；有的系统要求低功耗：如生物辨识、远程信息处理、因特网音频、组网、个人医疗设备、电信高频无线电和导航系统、无线调制解调器、便携式消费品等；还有的系统要求最优化的控制：如数字电源、嵌入式传感和测量、工业驱动产品、白色商品等。本文主要介绍数字信号处理在图像中的应用。

第二章基于DSP的数字信号处理系统在图像处理中的应用

首先,数字信号处理中存在大量成熟的快速算法,如FFT,FHT等,这些算法已经大量的应用于图像处理中；其次,随着DSP芯片集成度、运算速度、数据吞吐率等性能的不断提高,DSP己被广泛地应用于实时图像处理领域。

2.1 基于DSP的典型图像采集简易系统

目前，基于DSP的典型图像采集系统结构图，如图2.1所示：

图2.1 简单图像采集系统结构图

此系统是将模拟摄像头CCD采集的图像经过视频A/D芯片转换后，有FPGA控制写入片外大容量帧存储器存储，然后经总线送到DSP芯片进行压缩处理，最后经PC机存储并输出图像。

2.2 基于DSP的典型图像采集复杂系统

考虑到实际客户的越来越高的需求，如光谱范围较宽、要求图像数据无损实时压缩与传输、在某些特殊位置需要将图像数据无损实时压缩并进行存储在条件允许时将数据打包后传输给接收站，那么上述系统结构已经不能够满足光谱跨度较大的图像无损压缩的实际需要，于是在有些数据运算量更大的场合采用了如下的数字信号处理结构，如图2.2所示：