CN102509254B - 一种基于数字信号处理器的图像处理平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数字信号处理器的图像处理平台，包括可扩展DSP硬件平台、图像处理算法选择平台和图像处理算法库；其中，可扩展DSP硬件平台包括DSP处理器、存储器模块、接口模块；图像处理算法选择平台包括键盘模块、单片机控制电路和显示模块；图像处理算法库以新的分类方式涵盖了图像工程领域中所有常见的图像处理方法和内容，并具有可扩展性；本发明还公开了该平台的图像处理方法，分为信号源选择、图像处理算法选择、图像处理和结果输出四个步骤，本发明具有较高的灵活性和扩展性，可实现对图像的动态输入输出、对算法的动态选择、动态处理过程。

Description

一种基于数字信号处理器的图像处理平台及方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体为一种基于数字信号处理器（DSP）芯片的高速实时图像处理综合平台。 

背景技术

近年来，图像处理技术快速发展，被广泛地应用于生物医学、遥感技术、工业生产、通信技术、气象预报等领域，而理论学习与实验开发相结合已成为了行业科技人员进入图像处理领域的必由之路。

DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）芯片是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊的结构的微处理器，以其作为核心处理器的图像处理平台，能够满足系统的实时性和体积的要求，适用于各种嵌入式终端设备的数据处理。DSP芯片本身的结构特性和特点，使其在数据处理方面比通用CPU具有更大优势。

DSP开发平台是学习和研究DSP应用的重要工具，主要集成了DSP芯片系统、外围接口、存储显示系统等单元。目前，市场上基于DSP芯片的开发板和开发套件在数字图像处理方面主要完成视频图像采集显示和基本的图像处理，在全面性和直观性方面都还不够完善，图像信号源的组合选择和处理算法的组合选择也不够灵活。因此，系统完整的图像处理算法库以及新颖的交互式平台的开发，对于解决图像处理开发平台不全面、不直观的问题具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述问题，提供了一种具有高精度、可扩展、综合性、交互式的新型图像处理开发平台。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于数字信号处理器的图像处理平台，包括可扩展DSP硬件平台、图像处理算法选择平台、图像处理算法库； 

所述可扩展DSP硬件平台包括电源电路、DSP处理器、存储器模块、接口模块；

所述图像处理算法选择平台包括开关模块、键盘模块、单片机控制电路和显示模块；

所述图像处理算法库存储于可扩展DSP硬件平台的存储器模块中；

其中，

所述键盘模块用于输入用户选择待处理图像的来源和选择图像处理的算法序列号；

所述单片机控制电路识别待处理图像的来源，当待处理图像来自PC机内部，则调用DSP处理器从PC机内部文件读取待处理图像至存储器模块；当待处理图像来自PC机外部，则由所述接口模块输入外部图像至存储器模块；同时单片机控制电路读取所述图像处理的算法序列号后将其发送至DSP处理器；

DSP处理器根据图像处理的算法序列号调用图像处理算法库中相应的图像处理算法对待处理的图像进行处理，处理完毕后，DSP处理器通过数据总线将处理后的图像、存储器模块中的原始图像一并发送至显示模块显示。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述DSP处理器选用TI公司的产品TMS320C64x系列。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述存储器模块至少包括一个与DSP处理器相连接的数据存储器，用于存储原始输入的图像信息和经算法处理后待输出的图像信息。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述存储器模块包括一个与DSP处理器相连接的程序存储器，用于存储DSP处理器的执行程序以及图像处理算法库。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述可扩展DSP硬件平台还包括语音输入输出模块、数字量输入接口、数字量输出接口、视频输入输出编解码模块。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述单片机控制电路采用MSP430系列作为主控芯片采集键盘模块的信号。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述图像处理算法库涵盖图像工程领域中所有常见的图像处理方法和内容，并具有可扩展性。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述显示模块为两个LCD显示器，分别用于显示输入图像和输出图像。

进一步的，本发明的基于数字信号处理器的图像处理平台，所述图像处理算法选择平台还包括用于显示工作状态的指示灯模块。

一种基于数字信号处理器的图像处理平台的图像处理方法，包括以下步骤：

步骤1、启动可扩展DSP硬件平台电源和图像处理算法选择平台电源，完成DSP芯片、单片机芯片的上电复位初始化工作；

步骤2、单片机采集信号源导入方式，并将导入方式通过串口传递给DSP芯片,若从内部导入，则DSP处理器从PC机内部文件读取；若从外部设备导入，则DSP处理器从USB接口读取图像信号源，导入的图像                                               

被存放到输入图像存储区的{

}单元，i为从1开始的自然数；

步骤3、单片机查询判断是否完成信号源导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤4；如果采集到导入继续信号，则i值加1，返回步骤2；如果未采集到导入完成或导入继续信号，则延迟等待；

步骤4、单片机采集选择图像处理算法序列号，同时将采集到的序列号通过串口传输给DSP处理器，DSP处理器根据获得的序列号从图像处理算法库中选取相应的算法并开始导入第j个算法到临时算法存储区的{

}单元，j为从1开始的自然数；

步骤5、单片机查询判断是否完成算法导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤6；如果采集到导入继续信号，则j值加1，返回步骤4；如果未采集到导入完成或导入继续信号，则延迟等待；

步骤6、图像处理步骤，DSP处理器根据选取的算法综合

和输入数据图像

进行图像处理，处理顺序按算法导入的先后次序进行，直到完成最后选取的算法的处理，最后输出结果到图像存储区{

}；

步骤7、结果显示步骤，DSP处理器通过数据总线从输入图像存储区和输出图像存储区调用图像分别显示在两个LCD显示屏上。

本发明采用以上技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的交互式图像处理算法自主选择平台可以通过单片机进行键盘信号采集，控制图像数据的导入和图像处理算法的选择和叠加；通过DSP完成指定算法或算法组合的执行，并通过数据总线显示算法库中已有算法的选择菜单以及图像的处理结果。同时，图像处理算法库可以由用户后台进行修改和维护。因此，该平台具备了良好的操作性和可扩展性，对于DSP图像处理的开发具有重要意义。

附图说明

图1是DSP图像处理平台工作流程图。

图2是平台硬件框架图。

图3是图像处理算法选择平台图。

图4是数据存储器和程序存储器结构图。

图5是图像处理平台执行图像处理流程图。

图6是图像处理算法库结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是DSP图像处理平台工作流程图，主要包括“信号源选择”、“图像处理算法选择”、“图像处理”和“结果输出”四个步骤，与之对应的硬件平台的工作流程包括“从外部/内部设备导入图像”、“算法选择平台操作”、“DSP执行图像处理算法”和“输出图像到显示屏”四个部分。

图2是本发明的硬件平台框架图，其中包括电源电路、以DSP为核心的中央处理板、平台底板、EEPROM和RAM存储器单元、语音输入输出模块、数字量输入接口、数字量输出接口、USB接口、RS-232串行接口、并行接口、以太网口和视频输入输出编解码模块。图像处理算法选择平台包括以单片机为核心的控制板、开关、键盘区、指示灯、单片机控制电路和2个LCD显示模块。其中，中央处理板、单片机控制板和图像处理算法选择平台通过四排或双排插针安装在平台底板上。

DSP中央处理板选用TI公司的C64/C64+系列，根据用户不同的应用可选择： TMS320C641x /2x/5x/7x或TMS320tci648x，工作频率可达到：400～1000MHz；运算速度可达到：1600～33600MIPS/MMACS(16Bits)；存储器资源可达到：128Kbit(16K-Byte)～4800Kbit(600K-Byte) L1P程序缓存，128Kbit(16K-Byte)～4800Kbit(600K-Byte)L1D 数据缓存，高可达8Mbit (1024K-Byte)的L2 全局存储器。

单片机主控芯片采用TI公司的MSP430系列，接口方便，控制简单，兼容性好。板上包括单片机最小硬件电路及与底板插槽对应的USB接口模块、RS-232串行口、并行口等接口单元。

本发明的图像处理算法选择平台如图3所示，该平台包括单片机控制模块、开关电路、键盘指示灯区域、LCD显示区及LCD复位开关。采用双显示屏分别位于键盘区两侧的布局方式；开关电路控制该平台的供电和关闭，显示屏复位开关1和复位开关2 分别控制左显示屏和右显示屏的复位操作；键盘部分包括“0～9”数字键、“确认”和“取消”键、“+”键、“-”键、“上（∧）”键、“下（∨）”键、“=”键、“信号源”键、“算法”键、“查看图像”键和“图像处理”键；平台电源指示灯L1，复位指示灯L2，“信号源”红色指示灯L3、绿色指示灯L4，“算法”红色指示灯L5、绿色指示灯L6，“图像处理”红色指示灯L7、绿色指示灯L8和“查看图像”红色指示灯L9、绿色指示灯L10分别显示对应操作的工作状态；左显示屏顶部为输入图像和算法库显示区，底部为输入图像信息显示区；右显示屏顶部为输出图像显示区，底部为输出图像信息和算法处理结果数据显示区。

图4 是本发明的存储器结构图，其中数据存储器分为输入图像存储区{

}和输出图像存储区{

}，每个存储区最多包含n个存储单元。输入图像存储区{}用于存储平台输入的n个图像，最先读入的图像存储于

单元，经过图像处理后的结果存储于输出图像存储区{

}，图像的结果对应存储在

单元。临时算法存储区{

}，用于存储平台操作选择的m个图像处理算法，最先读入的算法存储于

单元，CPU按照从

到的顺序从存储区内调用图像处理算法。

本发明在实现图像处理的过程中，除了可以完成信号源是单幅图像的图像处理以外，还可以实现多幅图像和视频图像的处理；另外，也可以针对选定图像，依次添加不同的算法进行处理。因此，具体图像处理的流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、启动底板电源和图像处理算法选择平台电源，完成DSP芯片、单片机芯片等设备的上电复位初始化工作；初始化完成后单片机通过I/0口发送高电平至平台上的总控指示灯L1亮，表示设备就绪，此时DSP通过数据总线输出图像处理算法库主菜单显示到左侧LCD显示屏上，若单片机采集到平台左右复位键按下一次，则使图像处理算法选择平台上各硬件设备进入复位状态一次，同时单片机会通过I/0口发送高电平至平台上的复位指示灯L2亮灭一次。初始化状态下单片机会通过I/0口发送低电平给平台上除L1，L2灯以外的其他指示灯，即它们处于全灭状态。

步骤2、单片机采集信号源导入方式，并将导入方式通过串口传递给DSP,若从内部导入则DSP从PC机内部文件读取或从外部设备导入则DSP从USB接口读取图像信号源，导入的图像被存放到输入图像存储区的{

}单元，i为从1开始的自然数；导入过程中DSP发送高电平控制信号源红色指示灯L3为红色，表示正在进行信号源导入；

步骤3、单片机查询判断是否完成信号源导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤4，同时单片机通过I/O一引脚发送高电平至信号源绿色指示灯L4亮，表示信号源导入完成；如果采集到导入继续信号，则i值加1，返回步骤2；如果未采集到导入完成或导入继续信号，则延迟等待；

步骤4、单片机采集选择图像处理算法序列号，同时将采集到的序列号通过串口传输给DSP，DSP根据获得的序列号从程序空间的图像处理算法库中选取相应的算法并开始导入第j个算法到临时算法存储区的{

}单元，j为从1开始的自然数；同时单片机通过I/O一引脚发送高电平至算法选择红色指示灯L5亮，表示正在进行图像处理算法选择；

步骤5、单片机查询判断是否完成算法导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤6，同时单片机通过I/O一引脚发送高电平至算法选择绿色指示灯L6亮，表示算法导入完成；如果采集到导入继续信号，则j值加1，返回步骤4； 

步骤6、图像处理步骤，DSP根据选取的算法综合

和输入数据图像{

}进行图像处理，同时单片机通过I/O一引脚发送周期方波信号至图像处理红色指示灯L7闪烁，表示正在进行图像处理。处理顺序按算法导入的先后次序（临时算法存储区{

}中算法排列的次序）进行，即依次对输入数据图像叠加值

进行算法的处理，如果选取的算法综合数m>1,则对完成

算法处理后的结果进一步进行算法

的处理，依此类推，直到完成最后选取的算法

的处理，同时单片机通过I/O一引脚发送一持续高电平至图像处理红色指示灯L7及图像处理绿色指示灯L8亮，表示已完成图像处理。最后输出结果到图像存储区{

}；

步骤7、结果显示步骤，单片机采集图像查看模式选择信号，同时通过I/O一引脚发送周期方波信号至图像红色指示灯L9闪烁，表示平台正在查看图像。DSP通过数据总线从输入图像存储区和输出图像存储区调用图像分别输出到左右两个LCD显示屏上，左侧LCD屏显示输入图像

，右侧LCD屏显示输出图像

，当结果输出完毕，单片机通过I/O一引脚发送一持续高电平至图像红色指示灯L9及图像绿色指示灯L10亮。

图6是本发明的图像处理算法库结构图，该算法库全面涵盖了图像工程领域的基本图像处理算法，主要分为四个单元，包括图像处理基础、图像处理、图像分析以及图像理解，每个单元又分为若干个子算法库。

第一部分，图像处理基础分为图像获取以及图像表达和显示。图像获取又分为从实验平台内部设备获取和从外部设备获取，图像表达和显示又分为图像分辨率调整、彩色空间转换、图像几何变换等内容。

第二部分，图像处理单元分为图像频域变换、图像增强、图像复原、几何失真校正、图像重建、图像编码、图像水印和形态学图像处理八个算法库，每个算法库又包含若干个算法。

第三部分，图像分析单元包括图像分割、图像目标特征提取和高级图像分析三个算法库，图像分割分为阈值分割、边缘检测、区域分割等，目标特征包括目标的边界、面积、纹理等，高级图像处理包括目标运动分析、目标识别等内容。

第四部分，图像理解单元包括立体视觉、图像信息融合和基于内容的图像检索。

总体而言，该图像处理算法库中算法框架的划分，采用了分层结构，涵盖了图像工程领域中已有的主要方向和算法。四个单元相互联系，又互为补充，在使用的过程中可以单独调用，也可以结合使用。例如，对于读取的一幅图像，可以采用图像增强算法增加对比度，采用阈值化算法分割图像中的目标，再结合特征提取算法获得目标的边界和面积信息。

Claims (10)

1.一种基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于，包括可扩展DSP硬件平台、图像处理算法选择平台、图像处理算法库；其中：

所述可扩展DSP硬件平台包括电源电路、DSP处理器、存储器模块、接口模块；

所述图像处理算法选择平台包括开关模块、键盘模块、单片机控制电路和显示模块；

所述图像处理算法库存储于可扩展DSP硬件平台的存储器模块中；

其中，

所述键盘模块用于输入用户所选择的待处理图像的来源、用户所选择的图像处理的算法序列号；

所述单片机控制电路识别待处理图像的来源，当待处理图像来自PC机内部，则调用DSP处理器从PC机内部文件读取待处理图像至存储器模块；当待处理图像来自PC机外部，则由所述接口模块输入外部图像至存储器模块；同时单片机控制电路读取所述图像处理的算法序列号后将其发送至DSP处理器；

DSP处理器根据图像处理的算法序列号调用图像处理算法库中相应的图像处理算法对待处理的图像进行处理，处理完毕后，DSP处理器通过数据总线将处理后的图像、存储器模块中的原始图像一并发送至显示模块显示。

2.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于，所述DSP处理器选用TI公司的产品TMS320C64x系列。

3.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述存储器模块至少包括一个与DSP处理器相连接的数据存储器，用于存储原始输入的图像信息和经算法处理后待输出的图像信息。

4.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述存储器模块包括一个与DSP处理器相连接的程序存储器，用于存储DSP处理器的执行程序以及图像处理算法库。

5.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述可扩展DSP硬件平台还包括语音输入输出模块、数字量输入接口、数字量输出接口、视频输入输出编解码模块。

6.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述单片机控制电路采用MSP430系列作为主控芯片采集键盘模块的信号。

7.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述图像处理算法库涵盖图像工程领域中所有常见的图像处理方法和内容，并具有可扩展性。

8.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述显示模块为两个LCD显示器，分别用于显示输入图像和输出图像。

9.如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台，其特征在于：所述图像处理算法选择平台还包括用于显示工作状态的指示灯模块。

10.一种如权利要求1所述的基于数字信号处理器的图像处理平台的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、启动可扩展DSP硬件平台电源和图像处理算法选择平台电源，完成DSP芯片、单片机芯片的上电复位初始化工作；

步骤2、单片机采集信号源导入方式，并将导入方式通过串口传递给DSP芯片,若从内部导入，则DSP处理器从PC机内部文件读取；若从外部设备导入，则DSP处理器从USB接口读取图像信号源，导入的图像I_i被存放到输入图像存储区的{I_i}单元，i为从1开始的自然数；

步骤3、单片机查询判断是否完成信号源导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤4；如果采集到导入继续信号，则i值加1，返回步骤2；如果未采集到导入完成或导入继续信号，则延迟等待；

步骤4、单片机采集选择图像处理算法序列号，同时将采集到的序列号通过串口传输给DSP处理器，DSP处理器根据获得的序列号从图像处理算法库中选取相应的算法并开始导入第j个算法到临时算法存储区的{A_j}单元，j为从1开始的自然数；

步骤5、单片机查询判断是否完成算法导入；如果采集到导入完成信号，则转步骤6；如果采集到导入继续信号，则j值加1，返回步骤4；如果未采集到导入完成或导入继续信号，则延迟等待；

步骤6、图像处理步骤，DSP处理器根据选取的算法综合{A_m}={A₁,...,A_j,...,A_m}和输入数据图像{I_n}={I₁,...,I_i,...,I_n}进行图像处理，处理顺序按算法导入的先后次序进行，直到完成最后选取的算法A_m的处理，最后输出结果到图像存储区{I_n′}；

步骤7、结果显示步骤，DSP处理器通过数据总线从输入图像存储区和输出图像存储区调用图像分别显示在两个LCD显示屏上。

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