數字信號處理在數字圖像處理中的應用

哈爾濱工程大學　毛曉琦

數字信號處理在數字圖像處理中的應用

哈爾濱工程大學毛曉琦

由于時代的進步，最新的計算機技術被應用到更多的領域中，數字信號處理技術在計算機發展的基礎上被大力的推廣。本文對于數字信號處理在數字圖像處理中的應用進行了分析，供專業人士參考借鑒。

數字；信號；處理；圖像

數字信號處理技術是應用計算機或專業性的處理設備，通過數值計算的方式，對于信號進行估值、采集、加工、處理，方便信息的應用和提取目的。專業人士對于數字信號處理的期望是速度快、抗干擾能力強、造價低，該種技術預期目標，對于領域內的研究人員提出更高的要求標準。

一、定義

數字處理技術是利用數字信號處理作為基礎的一種圖像處理方式，其將圖像的信號轉化成為具體的數學信號，利用計算機技術進行有效的編碼、增強、復原、提取、解除噪音等，該種處理技術在各個行業被大力的推廣應用，特別是在圖像處理領域，為行業發展帶來全新的技術服務。

二、發展

數字信號處理技術具體指將信號轉化成為數字的形式，進一步處理技術和理論，借助應用數值計算的方式對于信號展開加工處理 。由于近年來計算機行業的快速發展和進步，數字信號技術在更多的行業中被推廣應用。自從數字圖像處理行業中應用了數字信號處理技術，整個行業內部得到快速的發展。其中DSP是數字信號處理器的一種縮寫，其作為一種高速專用的微處理器，關鍵的特點是數字運算功能非常的強大、資源更加的豐富、高速輸入輸出，在數據傳輸的環節中速度非常快，被專業應用與處理以運算為主的實時信號。從上個世紀的60年代開始，數字信號處理技術被提出，經歷過幾十年的發展，逐步形成了DSP的理論內容和算法內容。早期的時候，將理論實際應用實際中，研制出數字信號系統，數字信號系統中包括分立元件構成，主要的被應用到美國的航天或是軍事各個部門，該技術的應用意味著數字信號處理器真正的出現。到1982年的時候，全世界范圍內的收割DSP芯片被美國的某一個公司研究出來，在后期的26年中，由于各種新技術理論的不斷出現，相關技術的產品以每二到三年的速度快速更新，以目為例子，TMS320C6416T是性能較為高的一種定點型DSP，其是根據第二代的高性能先進性高速超長字指令結構發展形成的，利用0.09um的加工工藝，在邊界執行掃描IEEE1149.1標準，核電壓為1.2V，提供出64個獨立通道的EDMA數據傳輸總線，在1GH時鐘頻率下8位數據的運算速度已經達到了8000MIPS，16位的乘法運算速度已經達到4000MMACS，每個時鐘周期能夠支持8條32位的指令執行運行。同時芯片內部提供了60路384Kbps或是10路2Mbps的傳輸控制協議，支持3GPP系統，基本一個DSP系統內部除了DSP芯片之外，還必須具備外接存儲器。外部程序存儲器包括FLASH ROM，其中的AT29LV系列，應用反饋速度快、電可策劃案除。數據存儲器可以選擇應用SRAM或是DRAM，雙端口的存儲器適合使用在速度更快的場合，內部具有仲裁電路，在兩個不同的端口進行數據的輸入或輸出，隔離輸出設備或輸入設備，還能夠支持大規模信號處理場合，例如數據運算量非常龐大的圖像實時壓縮處理，3GPP2、3GPP2等。

三、主要應用

數字信號處理技術在圖像處理技術中的應用主要還體現在圖像變換工作中，如果需要處理的圖像矩陣非常大，那么在空間域中處理就會需要很大的計算量，所以通過數字信號處理技術來展開有效的處理，將空間域的處理轉換成為換域處理，如此才能夠減少工作量，提高計算的綜合準確度，為圖像變換的發展起到推動作用。

數字信號處理技術在圖像描述中的應用是對于相對比較簡單的二值圖像運用幾何特性進行描述，通常圖像描述的方式是應用二維形狀，根據數字處理技術的發展，三維形狀的圖像描述已經逐步形成，圖像描述成為圖像識別和理解的前提。

由于半導體加工技術的快速發展應用，更多的模擬電路逐漸的退出了歷史應用的舞臺，數字化時代正在用快速的，不可逆轉的形式應用到人類社會化的更多領域中，數字信號處理技術和DSP芯片逐漸的成為決定系統性能優劣的關鍵性基礎元件。例如部分的系統內部要求具有較高的性能，可以利用無線基礎設施、視頻基礎設施、監視IP攝像機、流媒體、機頂盒、便攜式媒體設備、IP視頻電話、數字攝像機等，部分的系統要求低的功耗，例如便攜式消費品、無線調制解調器、電信高頻無線電和導航系統、個人醫療設備、組網、因特網音頻、遠程信息處理、生物辨識等；部分的系統要求最優化的控制，例如數字電流、白色商品、工業驅動產品、嵌入式傳感和測量等。

1.DSP典型圖像采集簡易系統

目前DSP典型圖像采集系統結構中包括攝像頭，A/D，圖像預處理和控制，DSP，PC機、幀存儲器、最后形成FLASH。該系統是將模擬攝像頭CCD采集的圖像經過視頻的a/d芯片轉換后，有FPGA控制寫入片外大容量的幀存儲器內部進行存儲，最后通過總線送到DSP芯片中進行壓縮性處理，然后通過PC機存儲，最終輸出具體的圖像。

2.典型圖形采集復雜系統

由于行業的快速發展，各種實際客戶的需求逐漸的增多，包括要求圖像數據無損實時壓縮和傳遞、光譜范圍較寬、在某些特定的位置應該將圖像數據無損及時的壓縮，通過存在，在條件允許的狀況下，利用數據打包后傳輸到接收站中，過去的簡單系統機構逐步的不能夠滿足光譜跨度較大的圖像無損壓縮需求，那么在很多數據運算量更高的場合就利用數字信號處理結構。

該系統中，將FPGA作為主要的控制部分，通過其實現系統的控制，兩片DSP合作，最終提升數據壓縮速率，FPGA應用ALTERA公司內部的高端Stratix IV GX FPGA ，DSP選擇使用美國公司的定點型最高性能的TMS320C6455-1200，或是應用AD公司的浮點型ADSP-21369KBPZ-3A，這些都能夠滿足具體的應用要求，工作的原理是利用數據交換部分的SRAM、FPGA，其中FPGA關鍵是用于控制SRAM，A/D和D/A的數據讀寫時序，利用DSP數據交換，數據處理的部分主要是包括FLASH和DSO構成，利用FLASH作為系統的整體內部程序存儲器，在每一次系統上電之后，DSP組通過芯片自舉的方式將FLASH讀入程序，通過該程序的引導程序，繼續將其他的主要程序調入到DSP片內的SRAM中，在后期的運行環節中，DSP從片內SRAM中讀取程序，當FPGA控制數據進不到SRAM之后，會發送中斷性的信號到對應的DSP芯片中。如果DSP芯片接收到中斷的信號，就會在SRAM中讀取具體的視頻圖像數據，通過對應的先進算法進行圖像的壓縮處理，將壓縮處理后的圖像數據進行打包，最終將數據包數據存儲到系統的存儲模擬塊中，或是將處理后的圖像數據統一打包，將數據包數據存儲到壓縮系統的存儲模塊中，最終送到輸出模塊，最后直接性的輸出，在圖像數據處理的環節中，DSP利用ISA總線和PC主機進行通訊，最終獲取圖像處理參數，傳回具體的處理結果，DSP芯片組和FPGA之間的配合加工整個的圖像卡數據處理作為核心，從具體的FLASH中獲取程序后，使用FPGA提供的地址信號和片選信號，在SRAM中獲取相關的視頻圖像數據，整個的系統中，DSP芯片組和FPGA的硬件性能以及對應的壓縮算法將對于整個的圖像處理系統產生重要的影響。

［1］張婷.淺析數字信號處理的發展應用［J］.科技信息技術論壇，2014.

［2］王紅.數字圖像處理技術的應用現狀和發展前景［J］.質量標準化，2015（12）.

［3］張婷.數字圖像的紋理特征和分類研究［J］.行業專業研究，2015.