实时图像处理硬件平台的设计与实现

王 强，孙 祝，孙 彦

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

实时图像处理硬件平台的设计与实现

王 强，孙 祝，孙 彦

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

实时图像的数字化处理技术的出现，大大地拓展了图像处理技术应用领域的广度和深度。实时图像数字化处理技术广泛应用于社会各个领域，探讨实时图像处理硬件平台的设计与实现，具有很高的研究和实用价值。本文针对实时图像处理系统平台中的硬件平台的设计与实现，进行了解、分析，基于目前所有平台现状，提出一种优化的实时图像处理系统平台。

实时图像处理硬件平台；设计；实现

信息数字化时代，随着信息处理学科的飞速进步，图像处理技术系统和应用普及都取得了长足的进步。图像处理技术正被越来越多的运用到产品检测等领域，大大提高了生产效率。同时，人们对图像信息处理能力的要求也越来越多样化，这就要求图像数字处理技术实现途径也必须越来越多样化。实时图像处理系统的设计与实现，是有效满足实时图像处理需求的图像数字化处理技术，对实时图像系统平台的设计与实现的研究意义重大。

1 实时图像处理硬件平台的意义

图像处理是指为达到所需图像结果而利用计算机对图像进行分析处理的技术，也称影像处理。实时图像处理，就是对图像信息进行快速处理的计算机应用系统。实时图像处理有多种实现方式，如软件实现、单片机实现、DSP芯片实现等。实时图像处理要求必须具有足够的传输速度，器件选择上普遍采用传输速率非常高的EPGA。实时图像处理包括实时图像数字化、图像增强和复原、图像数字编码、图像分割、图像识别和图像理解等。实时图像处理广泛应用于医学、遥感、工业检测和监视、军事侦察等领域，作用重大，意义非凡。图像处理系统包括图像处理硬件和图像处理软件。在硬件平台的图像处理特点是信息量庞大，因此实时图像处理系统必须配置快速处理硬件（DSP）。上世纪80年代后出现图像处理工作站。对于点处理，采用快速硬件流水线处理器，它由视频运算器（ALU）和查找表（LUT）组成，用于实时进行图像间加、减、乘、除、逻辑运算和灰度变换。对于邻域处理，应用快速实时小核卷积器，它由乘法器、累加器、移位寄存器和查找表等组成，用于实时卷积滤波、去噪声、增强、平滑和边缘提取等。对于大域处理，可用快速阵列机，它配有数字信号处理器等，用于快速傅里叶变换、各种矩阵运算和矢量运算。实时图像处理系统的运行工作需要硬件平台和软件平台的协调合作完成，硬件平台配置的高低，是实时图像处理系统平台实时图像处理能力的根本。下面简单介绍实时图像处理所在的应用领域。

1.1 航空领域的应用

实时图像处理可以通过遥感飞机和卫星拍摄照片，用高性能计算机进行实时的图像处理，可获得大量的人工没办法发现的情报，节省了人力物力的投入，同时加快了信息获得速度，对航天领域的发展意义重大。

1.2 通信工程领域的应用

随着大规模集成电路的发展推广，实时图像通信的关键技术得以解决，推动了实时图像处理在通信领域的快速发展，当今社会的多媒体通信，意味着图像数字处理技术在通信工程领域占据着重要的位置。

1.3 军事领域的应用

现代战争被认为更多的是信息化战争，其中实时图像信息处理技术至关重要。军事侦察、目标跟踪、地形识别、精确打击等军事手段的实时图像处理技术，起着决定性的作用。

1.4 生物学工程领域的应用

实时图像处理技术大量运用于生物学基础研究和临床应用，图像处理技术在生物学工程领域的发展呈专业化，实时图像处理技术有力地推进生物科学的发展进步。

1.5 工业工程领域的应用

实时图像处理技术在工业工程领域的运用，主要在工业产品中的无损探伤，外观识别检查，照片应力、阻力、分力分析等。实时图像处理技术有效地提高工业工程生产效率。

通过以上的简单了解，可以看出，实时图像处理技术在当今社会的发展中应用广、层次深，对整个社会经济发展有着举足轻重的作用。随着科技技术的不断快速发展，实时图像处理系统平台有着巨大的潜能等待挖掘，必将在未来发挥更加重要的作用。因此，加大实时图像处理系统平台的研究设计和实现，有着重大的意义。

2 实时图像处理硬件平台的设计

2.1 器件选择

2.1.1 DSP选择

DSP是图像处理系统平台的核心器件，DSP芯片的性能直接影响系统平台的的运算能力速度。所以，实时图像处理系统平台的DSP器件选择是重中之重。同时，实时图像处理平台强调系统平台的实时性，所以，实时图像处理更加注重在选择系统平台的器件时，必须采用具有高速的数字信号处理能力的器件，最佳的器件结构和高速算法。通过实践经验和不断试验表面，采用高性能的 DSP芯片TMS320C6416和带有DSP单元的高速FPGA来构成系统平台器件整体，是具有高效性能保证的器件配置。TMS320C6416是TI公司推出的高性能定点DSP，具备1 000MHz时钟频率及4 800MI/s最高处理能力[1]。其内核有8个运算功能单元，具有VITERBI译码处理器和turbo译码协处理器等。该DSP内部结构经过改进，提高了并行处理能力，丰富了外设资源。DSP内部集成PCI2.2控制器，不再采用外部的PCI控制芯片，优化了器件结构组成。不仅节约成本，同时还简化了系统平台的调试工作难度。

2.1.2 协处理器件选择

在选择了主数字处理器之后，因为实时图像处理系统信息的庞大性，只有一个DSP主处理器显然是难以满足实时图像处理要求的。在图像处理器之外再选择加上协处理器，能够有效的提高实时图像处理硬件系统的图像处理能力[2]。XILINX公司的XC4VLX80芯片具有 80XtremeDSP Slices单元和200个 18 Kbit块内存资源，非常符合实现高速DSP算法，是目前作为协处理器的最佳选择。XC4VLX80可以通过并行处理的方式处理大量耗时的累乘加运算，实现复杂的时钟管理，支持多形式的I/0接口，方便进行各种数据交换和各种配置管理。通过反复的实验和实践证明，XC4VLX80具备很好的承担协处理器任务的能力，选择XC4VLX80作为协处理器是科学有效的实时图像处理硬件平台器件选择行为。

2.2 硬件平台的器件连接

2.2.1 DSP芯片与FPGA的连接

通过控制EMIP接口其他接口信号实现DSP与FPGA的I/O连接。将FPGA内存储器映射到DSP地址空间，实现DSP对FPGA的片外存储器的直接高速数据传输交换，同时将DSP外部信号定时器信号接入EPGA，实现FPGA与DSP通信的灵活控制。

2.2.2 片外存储器与FPGA及DSP的连接

设计DSP和FPGA子系统共享外部存储器，能够有效提高数据传输速度和压缩电路板空间。将DSP信号通过FPGA接入外部存储器，采用两个Mi-CRON公司的MT48LC32M16A2 SDRAM和一个CY-press公司的CY7C1350F SBSRAM，采用设计状态机对FPGA进行操作，对DSP则分别将存储器的各类信号通过FPGA的I/O接口，和DSP的EMIF接口信号相连，实现透明连接。

2.2.3 PCI硬件接口

实现PCI接口的主机直接互联，可以直接采用TMS320C6416内部集成33MHz/32bit、支持PCI主从模式接口的PCI2.2接口控制器，不需额外的PCI控制芯片。图像处理器通过内部的EDMA实现PCI接口与DSP接口的集成。

3 实时图像处理硬件平台的实现

图1 图像处理系统平台的结构图

图像处理系统平台正常发挥功效，需要在硬件平台设计完成之后，实现系统平台的图像处理功能。这就不仅包含硬件平台器件问题，还牵涉到PCI软件的开发运用工作。

3.1 信号同步发生器

红外摄像头光电转换以后，将图像转变成电信号，通过传输形成可视图像，包括图像信号、复合消隐脉冲及同步脉冲组成。

3.2 控制图像显示器

图像显示采用D/A转换器实现。图像的D/A转换器通常要求SYNC（复合同步）、PDACLK（工作时钟）、BLANK（场行消隐）信号[3]。 经由FPGA产生这些信号将有助于硬件设计简化。FPGA在读写外部数据时要求必须有时序性，所以，数据传输流必须配合FPGA的时序。

3.3 设计驱动程序

设计驱动程序原则是WDM（驱动程序模型）。采用NUMEGA公司开发包Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并用VC++6.0作为辅助环境开发进行DMA传输，完成实时图像处理卡与主机高速DMA传输及对主机DSP内存空间的读写。支持即插即用。

3.4 主机端应用程序设计

当次DMA传输完成后处理平台卡将产生中断，启动下一次的DMA传输，需要取出下一个IRP。在I /O管理器调用驱动程序的中断服务和 DPCFORISR完成IRP，再取出下一个IRP。通过重复工作，不断进行DMA传输，完成实时图像处理卡与主机高速DMA传输及对主机DSP内存空间的读写[4]。

3.5 图像处理器软件设计

当首先程序初始化，在DSP完成接受复位信号之后，启动BOOTLOADER，开始执行程序。进入for循环，等待中断信号。DSP在响应PCI中断后，进行实时图像的显示处理。DSP软件详细设计流程如图2所示。

图2 DSP软件设计详细流程

4 结束语

通过以上的分析理解及研究探讨，可以得出实时图像处理系统平台具有本身多功性，实现方法多样性的特点。加大实时图像处理系统平台的研究设计和实现有着巨大的价值。信息数字化时代的图像处理技术日新月异，实时图像处理系统平台的发展应用要以科学发展观作为指导，大力开拓实时图像处理系统平台的设计实现领域范围。

[1]鲁昌华，石洪源，梁银海，等.基于FPGA+DSP的实时图像处理平台的设计与实现[J].电子技术应用，2007，33（12）：72-75.

[2]段雷，李梅，王彩霞.基于DSP和FPGA的实时图像处理平台的设计[J].实验科学与技术，2008，6（5）：52-54，70.

[3]蒋涛，李自勤.基于FPGA的实时图像中值滤波算法及实现[J].微计算机信息，2012（10）：196-197，297.

[4]程远，李亚聪.FPGA平台的实时图像处理系统设计[J].电子产品世界，2012，19（7）：46-47.

Hardware Design and Im plementation of Real-time Image Processing System

WANG Qiang，SUN Zhu，SUN Yan
（School of Physics and Electronic Science，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009）

The emergence of real-time image processing technology greatly expands the breadth and depth application of image processing.Real-time image processing technology iswidely applied every level and it isworthy of researching and discussing hardware design and implementation of real-time image processing system.This article will focus on hardware design and implementation of real-time image processing system，and will raise a kind of optimization of real-time image processing system based on other current systems.

real-time image processing system；design；implementation 〔责任编辑 李海〕

O412.3

A

1674－0874（2013）06－0022－03

2013-08-15

王强（1986-），男，山西阳泉人，硕士，助教，研究方向：图像处理。