基于DSP的電子變倍系統(tǒng)設(shè)計*

孟王芳,陳 芬,徐高幫,楊麗娟,葉咪妮，彭宗舉，殳鎮(zhèn)黎

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

圖像變倍作為一種基本的圖像處理技術(shù)，是指通過插值算法重采樣生成新的插值圖像的過程，在實際應(yīng)用中具有重要的作用。數(shù)碼相機的數(shù)碼變焦即是一種電子變倍系統(tǒng)，在數(shù)碼相機中光學(xué)變焦能夠通過鏡頭的變化將拍攝的景物拉近；數(shù)碼變焦則是通過數(shù)碼相機內(nèi)的處理器把圖片內(nèi)的每個像素面積增大，從而達(dá)到放大的目的。由于光學(xué)變焦焦距的調(diào)整受到極大限制，當(dāng)變焦倍數(shù)超過5倍時，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜，而且體積龐大，因此開發(fā)數(shù)碼變焦以提高數(shù)碼相機的變焦焦距具有廣闊的應(yīng)用前景和實用性。

電子變倍系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在安全監(jiān)控領(lǐng)域，如遠(yuǎn)距離健康和夜視監(jiān)控等。隨著社會發(fā)展和技術(shù)的進步,視頻監(jiān)控技術(shù)已處于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時代的發(fā)展期,進行數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的研究正成為當(dāng)前的熱門課題。采用TI的Davinci處理器進行相應(yīng)的視頻處理系統(tǒng)設(shè)計,可以保證系統(tǒng)具有良好的實時性以及穩(wěn)定性，同時又有體積小、功耗低的優(yōu)點。本文介紹了基于Davinci系列TMS320DM6437處理器的電子變倍系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由攝像頭、視頻編解碼處理芯片、顯示屏和SEED-DTK_6437開發(fā)平臺等部分組成,系統(tǒng)的主要框架如圖1所示。

TM320DM6437 DSP芯片對從視頻處理前端傳輸進來的數(shù)據(jù)進行存儲，通過最鄰近插值算法和雙線性插值算法等對視頻圖像進行變倍處理，之后數(shù)據(jù)再通過視頻后端處理，將信號重新編碼為模擬信號，最后輸?shù)侥M顯示器上顯示出來。

本系統(tǒng)有兩種工作模式：整體縮放模式和感興趣區(qū)域模式，用戶通過17鍵薄膜鍵盤可選擇所需模式。在整體縮放模式下，系統(tǒng)具有選擇不同變倍算法、更改視頻圖像的縮放倍數(shù)等功能；在感興趣模式下，系統(tǒng)具有選擇不同變倍算法和選擇感興趣區(qū)域等功能。兩種模式下系統(tǒng)都能夠在液晶顯示屏上顯示變倍算法和縮放倍數(shù)和感興趣區(qū)域號，并在彩色顯示屏上居中顯示縮放后的圖像，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能人機交互功能。

2 基于SEED-DEC6437的視頻采集回放

本系統(tǒng)實現(xiàn)了1路PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入，1路PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸出和1路VGA輸出。視頻輸入接口選用了解碼芯片TVP5150PBS，視頻輸出采用TMS320DM6437片內(nèi)的DAC輸出，實現(xiàn) CVBS和 VGA輸出。TMS320DM6437片上視頻輸入/輸出接口統(tǒng)稱為視頻子系統(tǒng)(VPSS)。TMS320DM6437的視頻子系統(tǒng)由兩部分組成，一是視頻處理前端，用于輸入數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，為多種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻輸入提供接口，并為輸入的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)作必要的預(yù)處理；二是視頻處理后端，用于輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，以驅(qū)動顯示器顯示視頻圖像。本系統(tǒng)視頻的采集與回放框圖如圖2所示。

3 電子變倍算法研究

3.1 算法描述

從算法精度、復(fù)雜度等方面考慮，本系統(tǒng)主要采用最近鄰插值算法和雙線性插值算法。

3.1.1 最近鄰插值算法

最近鄰插值法[1-3]也稱作零階插值，就是令變換后像素的灰度值等于距它最近的輸入像素的灰度值。對于通過反向變換得到的一個浮點坐標(biāo)，對其進行簡單的取整，得到一個整數(shù)型坐標(biāo)，這個整數(shù)型坐標(biāo)對應(yīng)的像素值就是目標(biāo)像素的像素值。對于從上到下、從左到右掃描的圖像來說，取浮點坐標(biāo)最鄰近的左上角點對應(yīng)的像素值。其公式為：

3.1.2 雙線性插值算法

雙線性插值法[4-5]是利用需要處理的原圖像像素點周圍的4個鄰點的像素值在x、y兩個方向上作線性內(nèi)插，即待插點處的數(shù)值用離待插點最近的4個點的值加權(quán)求得。對于一個目的像素，設(shè)置坐標(biāo)通過向后映射法得到浮點坐標(biāo)(i+u,j+v)。其中 i、j是非負(fù)整數(shù)，u、v是取值在[0，1)區(qū)間的浮點數(shù)，隨放大后像素行列坐標(biāo)的不同而改變，則這個像素的值g(i+u,j+v)可由原圖像中坐標(biāo)為(i,j)、(i+1，j)、(i，j+1)、(i+1，j+1)所對應(yīng)的周圍 4 個像素的值決定，即：

其中，g(i,j)表示原圖像(i,j)處的像素值，以此類推。

3.2 算法的MATLAB仿真

在MATLAB中對最近鄰插圖算法和雙線性插值算法進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,最近鄰插值算法處理的圖像出現(xiàn)了嚴(yán)重的馬賽克現(xiàn)象,而雙線性插值算法處理的圖像更加平滑。

4 系統(tǒng)的軟件實施

4.1 總體設(shè)計流程

系統(tǒng)各模塊初始化以后，BIOS根據(jù)實現(xiàn)的配置自動調(diào)度視頻任務(wù)和通信任務(wù),總體流程圖如圖4所示。

4.1.1 人機接口的實現(xiàn)

本系統(tǒng)人機交互模塊采用TMS320VC5402作為主控制器，同時外擴有SRAM及Flash，擁有17按鍵薄膜鍵盤，配置LCD液晶顯示部件。TMS320VC5402 DSP處理器通過多通道緩沖串口McBSP與TMS320DM6437通信，可完成對按鍵值的讀取和顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)等功能。

4.1.2 DSP/BIOS任務(wù)調(diào)度

為了增強系統(tǒng)的實時性和靈活性，本系統(tǒng)使用DSP/BIOS調(diào)度任務(wù)。設(shè)置了一個硬件中斷(McBSP硬件中斷)和兩個任務(wù)(視頻任務(wù)和通信任務(wù))，兩個任務(wù)的優(yōu)先級相同。視頻任務(wù)主要處理視頻圖像數(shù)據(jù)的采集以及算法的實現(xiàn)；通信任務(wù)主要調(diào)度通信函數(shù)根據(jù)按鍵的不同指令來選擇不同的算法、輸入變倍系數(shù)和控制液晶顯示等。DSP/BIOS的任務(wù)時序圖如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)整體流程圖

4.1.3 圖像居中顯示

圖像變倍是對一幅原始圖像在尺寸比例上的放大或者縮小，然而，對于縮放后的圖像的顯示區(qū)域?qū)⑹且粋€不容忽視的問題，例如放大之后顯示的是左上角的畫面，而實際感興趣的區(qū)域可能不會出現(xiàn)在顯示屏上。這里，強調(diào)圖像居中放大顯示的重要性，即屏幕中心的感興趣區(qū)域放大之后仍會在液晶屏的中心顯示，以展示正常的圖像放大效果。

4.2 結(jié)果及分析

在使用不同算法對實時視頻圖像進行變倍處理時，本系統(tǒng)具有良好的實時性；人機交互模塊中選擇頁面可以循環(huán)切換，任務(wù)之間靈活調(diào)度；整個系統(tǒng)交互性強，性能穩(wěn)定。

4.2.1 整體縮放模式

在整體縮放模式下，放大倍數(shù)可輸入0.1～5.0之間。系統(tǒng)運行界面截圖如圖6所示。

分別采用最近鄰插值算法和雙線性插值算法進行實驗，結(jié)果如圖7所示。從圖7可見，基于最近鄰插值算法的縮放圖像馬賽克現(xiàn)象嚴(yán)重，基于雙線性插值算法的縮放圖像濃淡變化自然平滑，所得結(jié)論與仿真結(jié)果一致。

4.2.2 感興趣縮放模式

將整體圖像平均分成 9塊，選取任意一塊（0～8）將其放大到整個顯示屏。若選取區(qū)域為4，則將編號為4的區(qū)域塊放大到整個顯示屏，如圖8所示。

根據(jù)仿真及實驗結(jié)果可知，最近鄰插值算法處理后的圖像會出現(xiàn)嚴(yán)重的馬賽克現(xiàn)象，而雙線性插值算法處理的圖像更加平滑。但是，最近鄰插值算法的運算速度較快，雙線性插值算法較慢。通常情況下要獲得高速甚至實時的圖像輸出，只能采用相對簡單、運算量小的插值算法；而要獲得高精度的處理結(jié)果，只能犧牲速度，采用復(fù)雜度高的算法。因此，對于視頻圖像實時性操作上，最近鄰插值的算法更優(yōu)。

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