DSP 在图像处理中的应用The Application of DSP in Image Processing刘 治3 李 建 田 伟 LIU Zhi LI Jan TIAN Wei摘 要 本文以TI T MS320C54X DSP 为例描述了DSP 作为优秀的数字信号处理平台所具备的特点,并在此基础上介绍了在DSP 上实现数字图像处理所需的方法及特殊算法。
关键词 DSP 芯片 T MS320C54X 图像处理 Abstract This paper presents the excellent characteristics of DSP chips using TI T MS320C54X DSP as an exam 2ple.And s ome methods and alg orithms ,which w ould be im plemented on DSP chips in image processing ,are intro 2duced.K eyw ords DSP chips T MS320C54X Image processing.3山东大学信息科学与工程学院 250100 数字图像处理在当今工业及医疗领域的应用日益广泛,从而对图像处理系统的实时性和准确性提出了更高的要求。
DSP 芯片以其适应于高速数字信号处理的内部结构,在图像处理领域发挥了不可替代的作用。
1 DSP 芯片简介当前数字信号处理领域并存两大类处理器:通用处理器(G PP )和专用处理器(DSP ),通用处理器主要应用于PC 机中,而DSP 器件主要应用于便携式、嵌入式设备中。
消费类电子产品对器件成本和功耗要求苛刻,DSP 器件正是在这两方面较通用处理器有优势。
DSP 芯片采用能提供多条地址及数据总线的哈佛结构而摒弃了以往的冯・诺依曼结构(两种结构的简单比较见图1)。
由于片内存储器比片外存储器快,在通用处理器中广泛使用的高速缓存也被引入到DSP 芯片中来。
另外,为提高处图1(a )冯・诺依曼结构 (b )哈佛结构理速度DSP 芯片还使用了流水线技术。
T MS320C54x 是TI 公司为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP 芯片。
54x 系列DSP 采用改进的哈佛结构,该结构有8条总线,使数据处理能力达到了最大限度。
通过程序、数据空间的分离可同时进行程序指令和数据的存取并提供了高度的并行性。
此外数据还可以在数据空间和程序空间进行传送。
这种并行性还支持一系列功能强劲的算术逻辑及位操作运算。
所有这些运算都可以在单个机器周期内完成。
同时,54x 还有包括终端管理、重复操作及功能调用等在内的控制机制。
图2为c54x 的内部功能框图。
2 DSP 系统设计2.1 有关数据传输的处理一幅未经处理的CC D 图像大约有5M 左右,这已超出DSP 的寻址能力,而DSP 在绝大多数情况下不能以全速访问外部存储器,于是提出对中间缓冲区的要求,而缓冲区又不宜过大,解决的办法之一是将图像数据转换成数据流进行传送。
首先是将像素进行横向滤波,在处理某一像素的时间内,FIR 滤波器必须同时接收下一个要处理的像素并将本次处理结果传送至下一单元,这一过程就是一个简单的流水线操作。
其中滤波器纵向宽度决定能够存储的行数。
对于TIT MS320c54X 系列的DSP 片内存储器为16k ～64k ,对于动辄几兆的图像数据显得杯水车薪,但它已基本满足非实时应用的要求,譬如对静态图像的处理。
另一方法是在系统中使用DM A 技术,即当原始的CC D图像数据进入外部存储器后,以DM A 方式将数据由速度较慢的外部存储器传送至DSP 片内存储器。
由于DSP 没有和外部存储器之间的直接通道,因此首先应在算法上将数据分75图2 T MS320c54x 的内部功能框图成小块,其次确保在向DM A 发出数据传输请求之后,数据传输本身不再占用DSP 时间,从而使数据传输和数据处理同时进行,进而充分利用DSP 的计算资源。
另外,由于多数系统设计中数据处理时间会多于数据传输时间,这种方法会更有利于降低功耗。
两种方法的示意图如图3。
图3 两种不同的数据传输方法2.2 图像数据处理中的一些具体问题由于可用存储空间是有限的,所以DSP 系统对图像数据的处理必须建立在小数据块的基础之上。
此外,为充分利用有限的I/O 资源,数据块应在处理过程开始时取入直到整个处理过程完毕才应写回存储器。
DSP 汇编语言中的MPY,ADD 等指令使我们可以对图像数据进行线性操作,而非线性的操作则需用查表的方法来实现,而不宜用一系列的条件分支语句,例如在T MS320c54XDSP 芯片上实现一个查表操作需6个时钟周期,而仅实现一条条件分支语句就需3个时钟周期。
当表的规模比较大时,对存储空间的合理分配显得尤为重要。
在DSP 上实现滑动窗口时应考虑如何处理相邻数据块间的重叠部分,解决这一问题的最直接的方法就是在对当前要处理的数据块调入的同时,重复调入重叠区域的数据待处理下一数据块时使用。
另一方法是调入数据后根据特定算法对其重新排列,再次调入数据时只调新数据。
当前的DSP 芯片还没有对二维阵列直接处理的指令,尽管在DSP 上实现循环并不复杂,但在循环中有了乘法计算85后,会引入相当大的系统开销,其原因在于二维数据的组织方式。
这一点在用DSP 实现卷积运算时体现的很明显。
卷积是数字图像处理中图像增强和特征提取中应用十分广泛的运算。
其形式:H (x ,y )=∑Mm∑Mn f (x +m ,y +n )g (m ,n )其中f 是N ×N 的图像数据矩阵。
但二维卷积运算要求很大的系统开销,并且难于实现实时处理。
为此,可以考虑使用DSP 阵列,这种阵列可以是一维的,也可以是二维的,视不同情况而定,阵列中需要一片起控制作用的DSP 芯片,利用并行算法,从而达到分配、共享有限的DSP 片内存储器的目的。
这一算法的主要步骤如下:a 、向各DSP 器件分配图像数据;b 、执行边界数据交换;c 、卷积计算;d 、汇总各DSP 的计算结果。
经实验证明,这种并行算法完全可以满足对图像的实时处理的要求。
3 总结本文简要介绍了DSP 芯片的基本结构,着重讨论了在DSP 芯片上实现数字图像处理方法、应注意的问题及有效的算法。
可以看出,基于DSP 芯片的数字图像处理系统的性能优劣不仅仅在于DSP 芯片,整个系统的设计及使用的算法也是非常重要的。
参考文献:1 阮秋琦数字图像处理学.2001.1.2 李刚.数字信号微处理器的原理及开发应用.2000.4.3 M.A.R.Sghir ,P.Chow ,C.G.Lee ,Application 2driven de 2sign of DSP architectures and com pilers ,Proceedings of IEEE International C on ference on Acoustics ,S peech.(收稿日期:2003209218)(上接第6页)设,“大陆”人每一步都走的清晰而坚实。
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b 、厂区总图信息管理系统的建立不仅可以改变传统手工资料的管理模式,实现基础信息管理的信息化、数字化和自动化,而且由此建立起数字工厂的基础框架和技术平台而产生更大的经济效益。
c 、采用GIS 等现代技术建立数字工厂核心应用系统,对推进数字城市、数字区域建设将起到积极作用。
参考文献:1 《数字城市导论》编委会.数字城市导论.北京:中国建筑工业出版社,2001年(收稿日期:2004201206)95山东电子 2004年第1期。