DSP在图像采集系统中的应用与设计

张金果，宁亚媛 ，陈 巍，展 鹏

ZHANG Jin-guo1，NING Ya-yuan2 ，CHEN Wei3，ZHAN Peng4

（1. 东北电力大学，吉林 132012；2. 吉林女子学校，吉林 132011；3. 吉林电子信息职业技术学院，吉林 132021；4. 华东理工大学 材料科学与工程学院 上海 200237）

DSP在图像采集系统中的应用与设计

DSP in image gathering system's application and design

张金果1，宁亚媛2，陈 巍3，展 鹏4

ZHANG Jin-guo1，NING Ya-yuan2，CHEN Wei3，ZHAN Peng4

（1. 东北电力大学，吉林 132012；2. 吉林女子学校，吉林 132011；3. 吉林电子信息职业技术学院，吉林 132021；4. 华东理工大学 材料科学与工程学院 上海 200237）

随着现代电子技术和多媒体技术的发展,图像采集和处理技术得到了广泛的应用。DSP芯片具有体积小，处理速度快，使用灵活方便等特点，因而采用了DSP作为图象采集系统的控制CPU。图像采集系统的DSP控制部分，包括：DSP和USB的接口，DMA的寄存器设置和中断控制问题，最后介绍几种初级图像处理算法。

DSP；USB数据传输；图像处理

1 DSP控制系统设计

针对图像采集系统的需要，DSP控制部分必须满足如下功能：控制系统一定要有一定量的图像缓存单元，这样才能保证数据流的顺畅。要有程序存储单元、USB芯片的数据接口、图像数据的输入接口、外括的控制端口，从而构成一个控制最小系统。具体硬件系统的构成如图1所示。

图1 系统构成

1.1 硬件设计

系统的控制单元采用的是TMS320C6711通用数字信号处理芯片，主频150MHz,处理能力900MIPS；外部存储器接口（EMIF）SDRAM的频率为100MHz；SDRAM为32MB;FLASH为1MB;其中CE0,CE1,CE2,CE3都是256MB，其空间地址如下：

CE0：80000000～8fffffffh，SDRAM占用前32M空间；

CE1：90000000～9fffffffh，FLASH占用前1M空间；

CE2：A0000000～Afffffffh，IIC扩展、FIFO扩展等；

CE3：B0000000～Bfffffffh，USB接口扩展；

说明：CE0 空间的SDRAM用于图像缓存，32Mbyte的容量可以存储多幅图片。CE1空间的Flash用于存放程序；CE2空间主要负责快速器件的访问，如：高速FIFO、5ns CPLD等；CE3空间主要负责慢速器件的接口访问，该空间主要负责和USB芯片的接口访问，这和USB端口的异步访问的时序和参数有关，将CE2和CE3分别负责高速器件和慢速器件的接口访问有利于提高数据的访问速度。

1.2 软件部分设计

软件部分主要是和DSP硬件相关的软件程序，主要解决问题如下：

1）USB上传结点2的FIFO缓存是3Kbyte，对外表现为1Kbyte，意思是说，在USB内部是3Kbyte的缓冲，但是它是以1Kbyte为单位的，当其中任何1Kbyte空的时候，即使另外2Kbyte数据还没有被计算机取走，FLAGA就会出现空的标志，表示缓存空，这样外部接口器件就可以向USB传输数据了，这样做对于USB总线上的数据流的连贯性非常好，有利于实现其高带宽性，现有的计算机的总线速度很快，为了保持数据流的稳定，所以要采用高速接口芯片，在这里采用DSP的是DMA方式，外部中断EINT4启动DMA，即时响应USB的“空”标志信号。

2）DMA控制：TMS320C6000系列的DMA有两种形式，一种是EDMA扩展的直接存储器访问，根据型号不同提供16或者64个EDMA通道，通道间的优先级可设置；下面程序给出通道0的配置情况：

CH0_SRC,CH0_DST分别为数据源地址和目标地址；CH0_CNT中‘0001’表示一次传递一帧，‘0200’表示每帧传递512个数据单元；CH0_OPT是最重要的一个寄存器，在这里详细介绍一下各个位的设置,见下图图2；ESR表示启动DMA通道0。

PRI =001： 表示优先级别为LEVEL1,高优先全；

ESIZE=01：表示每次传输的一个数据单元的字节数为2字节，即half-word；

2DS=0： 表示一维数据源传输（实际操作是把一个三维数组的首地址给了源地址寄存器，但传输数据是按DMA控制方式的一维传输模式进行的）；

SUM=01： 源地址根据2DS和FS位的设定值来增加；

2DD＝0： 表示一维数据传输；

DUM=00： 表示目标地址固定不变；

FS=1： 帧同步位；

图2 参数寄存器

此外，6000系列DSP还有一种快速DMA，简写做QDMA，几乎支持EDMA的所有传输模式，但是前者提交传输申请的速度要比后者快很多。实际上QDMA是C6000中搬移效率最高的手段之一。在应用系统中，DMA/EDMA适合完成与外设之间固定周期的数据传输，如果需要由CPU直接控制搬移块，则更适合采用QDMA。QDMA一般在5个周期后可以被真正的发出（写5个QDMA寄存器，每个需要1个周期）。与此相比，EDMA的第1个申请需要在36个周期后才能被发出（6个EDMA传输参数，每个需要6个周期的写操作）。它的使用和EDMA是类似的，并且我感觉比EDMA要简单，在这里不再详细介绍，我们使用的也是QDMA。

3）对于图像传感器寄存器的控制：图像传感器有大约20个左右的寄存器，分别包括芯片Chip ID、Row Start、Column Start、Row Size、Column Size、Horizontal Blank以及时钟控制、模式控制、增益控制等寄存器等。通过对这些寄存器的控制，来达到改变窗口大小、窗口位置、时钟快慢、帧速率、读取模式、RGB通道增益等等。

2 几种图像采集的数据处理算法

2.1 像素缺陷修补

成像光电器件的有几十万、几百万、甚至几千万像素中总是存在一定数量有缺陷的像素或死像素，大面积、多像素的器件尤其不可避免缺陷像素。器件的制造者一般会将缺陷像素的位置专门提供给DSP设计者。缺陷像素的搜寻方法也很简单，让系统在完全遮光的条件下，第一次读取像素光电信号值，此时，缺陷像素常常反映为一些“亮点”，而正常像素的光电信号为暗电流噪声信号，可以认为是“黑点”。在内存中设定合适的阈值，可以轻松确定亮点的位置，修补缺陷像素的方法有平均值法、线性插值法、梯度插值法等。我们采用了一种最简单的方法，对周围4个像素的值取平均值。

2.2 CFA插值

现有的彩色图像传感器，除了美国的X3技术芯片外，大都采用的是Bayer模式或者四色模式（采用品青Cy、品红Mg、黄Ye、和绿色G）。如图3所示。

图3 Bayer模式和四色模式

MT9T001的排列模式为Bayer模式，所以我们主要介绍实际应用中我们采用的插值算法。该CFA插值算法如图4所示。

图4 Bayer模式下的CFA 算法

在Bayer模式下的图像采集传感器，G的数量是R、B两色的二倍。为此设计CFA插值算法如下：

a. 计算边界点的G采用周围三个像素的值来求平均值计算；

b. 内部的点采用周围十字线的四个顶点的G来计算；

c. 对于非边界B的计算方法如下：奇数行、奇数列B值采用左右两点B值计算；

d. 偶数行偶数列采用上下两点的B值计算、偶数行奇数列采用斜45度

十字顶点上的B值计算（其实采用左右两个刚刚计算得到的偶数行偶数列点的值来计算二者是等价的，并且计算量要小）；

e. 对于边界上B值计算：上边界和右边界主要采用取下一行和左一列的B值；对于左边界和下边界在c和d中已经计算出结果了；

f. 对于偶数行、偶数列的R值采用左右亮点值计算；

g. 奇数行、奇数列采用上下两点R值计算；

h. 奇数行、偶数列的R值采用周围斜45度十字定点的值计算（和计算B值类似，利用刚刚计算出的左右亮点值可以简化计算）；

i. 对R主要来说，边界点只需要计算左边界和下边界，取右一列，上一行的R值即可(上边界和右边界已经在f和g步骤中计算过)。

通过黑色补偿，缺陷像素修补之后，再经过以上9个步骤的运算我们就能得到一幅初级的彩色照片。

CCD/CMOS成像器件像素中得到的光电信息与在该像素上的光照度基本成线性关系。而在数字图像的显示和打印设备中，图像文件中像素的灰度值与所显示图像中对应的亮度值是成非线性的投影关系。数码相机的DSP通过γ校正，保证得到的显示（打印）图像能够正确反应被摄景物的客观灰度值。显像管CRT在对NTSC制式的图像显示时，图像灰度值Y与亮度值Z之间的关系为：

为矫正图像，可以引入一个γ的幂函数：

其中X为像素的灰度值，Y为经过γ矫正变换后的图像灰度值。这样显示亮度值Z最终可以与原来数字图像的灰度值X成线性关系，即Z=X。

上述三种初级图像处理算法中，我们经过试验比较得知，CFA插值算法为最优的，为此本设计的初级图像处理算法采用CFA插值为主要算法。

3 结论

本设计充分利用DSP的灵活性，实现了图像采集处理系统中的采集控制、USB传输管理以及处理后的无缝接口。DSP控制单元对整个系统的采集、传输等进行控制和管理，完成整个系统的初始化、芯片控制、数据流的控制等功能。同时还可以进行包括缺陷像素修补、CFA插值、γ矫正等基本图像处理。

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[2] 徐婉莹,刘建军.基于CPLD和DSP的高速图像采集技术研究[J].电子工程师.2004(6)：48-50.

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[4] Chunyang Zheng.An Automatic Focusing Control System for Acquisition of CCD Image.TV Engineering.2004(5)：51-53.

TP273

A

1009-0134(2010)10(下)-0053-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).17

2010-02-05

张金果（1971 -），男，吉林桦甸人，副教授，硕士，研究方向为计算机技术及控制理论与控制工程。