基于DSP的林木冠層圖像采集與處理系統(tǒng)

朱良寬 劉亮 東旭 黃建平

摘要：

林木冠層參數(shù)已被廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)研究。隨著數(shù)字圖像的發(fā)展，圖像方法成為林木冠層參數(shù)測量的主要方法之一。林木冠層圖像采集與處理系統(tǒng)的小型化與快速化，對于機器視覺和智能系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用有著重要的意義。本文以TI公司的TMS320DM642高速信號處理器為核心，采用Otsu算法作為圖像處理算法，通過Code Composer Studio（CCS）開發(fā)環(huán)境進行軟件編程，設(shè)計了一種林木冠層圖像實時采集與處理系統(tǒng)，包括圖像數(shù)據(jù)的采集、處理等主要部分，最后對系統(tǒng)進行了軟硬件調(diào)試和圖像處理實驗。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)可以實時、有效地完成林木冠層圖像的采集與處理。該系統(tǒng)具有實時性強、成本低、設(shè)備體積小、功耗低等優(yōu)勢，具有一定的理論和實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：

林木冠層圖像；圖像采集；圖像處理；DSP

中圖分類號：S718.42；TP391文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2018）01-0060-05

Abstract：

Forest canopy parameters have been widely used in forest ecosystem research.With the development of digital images，the image method has become one of the main methods to measure forest canopy parameters.The development of forest canopy image acquisition and processing system with small volume and fast speed is of great significance for the machine vision and intelligent systems.In this paper，a realtime image acquisition and processing system was designed，which used TI TMS320DM642 highspeed signal processor as the core and Otsus method as the image processing algorithm.Under Code Composer Studio（CCS）develop environment，the main function modules of the system was designed.The system included image acquisition，processing and other main parts.Finally，the software and hardware debugging and image processing experiments are carried out on the system.Experiment results showed that the designed system can complete the collection and processing of forest canopy image timely and effectively.The system has the advantages of realtime，low cost，small equipment，low power consumption，and has great values both on theory and practice.

Keywords：

Forest canopy image；image acquisition；image processing；DSP

0引言

隨著現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展，林木冠層參數(shù)作為群落外觀的可視化判斷指數(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究中[1-2]，并占據(jù)著非常重要的位置。冠層結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)，能夠直接反映植被的生長能力[3]，對于森林氧氣釋放速率[4]、固碳效率和水土保持能力的測量與計算提供了極大的幫助，為森林生態(tài)系統(tǒng)的各項指標(biāo)估計測量提供十分重要的相關(guān)參考依據(jù)[5]。

林木冠層參數(shù)的測量方法主要分為直接法和間接法。直接法測量精度高，但是耗力耗時[6]，測量過程中往往需要伐倒植株，具有較大的植被破壞性，且測量規(guī)模有限，難以大范圍推廣。間接法中的圖像方法優(yōu)勢明顯，不僅簡單方便[7]，對植被沒有破壞性，還普遍適用于各種樹種的測量。并且隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展，圖像處理越加迅速，設(shè)備的成本更加低廉，現(xiàn)在該方法已廣泛地應(yīng)用于林木冠層參數(shù)的測量[8-10]。

目前，基于圖像法的林木冠層光學(xué)分析儀器主要包括加拿大 Regent 公司研發(fā)的 Winscanopy 系列植物冠層分析系統(tǒng)以及英國 Delta-T Devices 公司近期改進的 HemiView 冠層分析系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都是通過專用的圖像采集設(shè)備拍攝圖像，再將圖像數(shù)據(jù)離線傳至個人計算機，并利用專用的分析軟件進行圖像處理。然而值得注意的是，一方面，以上系統(tǒng)雖然精度較高，但由于其成本造價及維護費用昂貴，不利于普通林木冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)采集工作的推廣使用；另外，將圖像存儲在設(shè)備中再利用計算機平臺進行圖像分析處理，又會降低數(shù)據(jù)處理的實時性[11]。

近年來，數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）作為一類專門用于數(shù)字信號處理的微處理器[12]，因其運算速度、數(shù)據(jù)吞吐量、穩(wěn)定性、集成度等性能不斷提高，已成功應(yīng)用于通信、信號處理、語音處理、圖形圖像處理、自動控制、儀器儀表、家用電器以及醫(yī)療等領(lǐng)域[13-15]。DSP芯片不僅可以實現(xiàn)常規(guī)的圖像采集，快速高效地運行復(fù)雜的圖像處理程序，得到高精度的計算結(jié)果，而且成本低、性價比高、體積小。

鑒于以上分析，本文基于TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320DM642設(shè)計一種低成本、方便快捷、體積小易移動、實時性強的林木冠層圖像采集與處理系統(tǒng)。將顯示屏、操作按鍵、存儲SD卡及測量一體化設(shè)計，操作簡單，體積小，攜帶方便。采用DSP為系統(tǒng)的核心，用于圖像處理算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)流的控制以及所有程序的調(diào)度，通過攝像頭和解碼芯片采集林木冠層圖像數(shù)據(jù)，由編碼芯片將處理后的結(jié)果顯示在液晶屏上。本文期望為林木冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)采集和分析提供一種新的思路和技術(shù)儲備。

1系統(tǒng)組成

考慮到系統(tǒng)實時性與并行性以及系統(tǒng)的設(shè)計簡便靈活，因此林木冠層圖像采集與處理系統(tǒng)以TI公司的TMS320DM642作為系統(tǒng)硬件部分的核心，在此基礎(chǔ)上進行擴充構(gòu)成冠層圖像處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可分為冠層圖像采集模塊、冠層圖像處理模塊、外部存儲模塊、冠層圖像顯示模塊和其它外圍電路5個部分。其中，冠層圖像采集模塊選用SONY公司的CCD攝像頭，該攝像頭采用PAL制式，水平解析度為700 TVL，鏡頭為6 MM，采集的圖像有效像素為752 × 582，約440 K，后經(jīng)圖像解碼芯片轉(zhuǎn)為ITU-R.656格式數(shù)據(jù)存入DSP。另外，冠層圖像顯示模塊選用大小為7寸的液晶顯示屏來顯示冠層圖像處理結(jié)果。軟件選用TI公司專為DSP芯片設(shè)計的Code Composer Studio（CCS），并運用CCS進行冠層圖像處理系統(tǒng)的實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1圖像處理核心

TMS320DM642是TI公司研發(fā)推出的一款32位定點DSP芯片，該款芯片專門為圖像和視頻應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計，DM642強大的計算能力和豐富的片內(nèi)設(shè)備使其成為實時圖像處理芯片的主要選擇[16]。

如圖2所示，DM642芯片內(nèi)核主要可分為3個部分。

（1）程序讀入機構(gòu)：由程序取值令單元、指令分配單元和指令譯碼單元組成，通過程序總線將取指令單元與片內(nèi)程序緩存（L1P）連接。

（2）程序執(zhí)行機構(gòu)：由兩個寄存器組、八個獨立的功能單元組成和控制寄存器組等組成。

（3）芯片測試與仿真端口和相應(yīng)的控制邏輯。

因為DM642芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計，CPU中數(shù)據(jù)總線和程序總線是分開的，所以取指令同時可以執(zhí)行指令。L1P保存指令代碼，程序總線寬度為256B，程序讀入機構(gòu)在每個時鐘內(nèi)可傳送8個32B指令到功能單元。

1.2外部存儲接口的擴展

DM642芯片最大支持1GB的外部存儲器，為較大數(shù)據(jù)的處理提供了儲存空間，待處理的圖像像素越高需要外接的存儲器要求也越高。為了存儲冠層圖像數(shù)據(jù)，在EMIFA的CE0引腳擴展四片SDRAM，在CE1引腳擴展一片F(xiàn)lash。SDRAM選用的是Hynix公司的HY57V641620芯片，芯片容量為4M×64B，其數(shù)據(jù)傳輸需要時鐘信號同步，可與EMIFA無縫連接，接口支持3.3V的LVTTL標(biāo)準(zhǔn)。Flash選用的AMD公司的AM29LV033C芯片，芯片容量為4M×8B，電源供電的電壓選用3.3V。

1.3圖像解碼和編碼芯片的選擇

本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的TVP5150芯片作為解碼芯片。系統(tǒng)將編碼芯片擴展在DM642芯片的視頻端口上，傳輸數(shù)據(jù)為8B的ITU-R.656格式。DM642芯片處理后的圖像需經(jīng)過編碼才可以在液晶屏上顯示，本系統(tǒng)選用PHILIPS公司生產(chǎn)的SAA7121芯片作為編碼芯片。該芯片具有功耗低的優(yōu)點，其外部供電電壓為3.3V。它可將YUV格式的數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換為S-Vidio端口的模擬信號。SAA7121將接受8B的ITU-R.656格式數(shù)據(jù)，并進行編碼處理，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出給液晶屏。

2軟件設(shè)計

2.1CCS開發(fā)環(huán)境

Code Composer Studio（簡稱CCS）是一種針對TI公司的DSP芯片制作的集成開發(fā)環(huán)境。如圖3所示，CCS包括代碼生成工具（Code Generation Tools）；集成開發(fā)環(huán)境（IDE）；DSP/BIOS插件程序；RTDX插件；主機接口及API；各種應(yīng)用模板插件。

CCS代碼生成工具是開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)，可大致分為以下幾個部分：

（1）C編譯器產(chǎn)生匯編語言源代碼。

（2）匯編器將匯編語言的源文件翻譯成機器語言目標(biāo)文件。

（3）連接器將多個目標(biāo)文件組合為單個可執(zhí)行目標(biāo)模塊。

（4）歸檔器將一組文件收集到一個歸檔文件中。

（5）轉(zhuǎn)換程序?qū)R編語言源文件中的助記符指令轉(zhuǎn)換為代數(shù)指令。

（6）通過建庫程序建立滿足要求的運行時支持庫。

（7）運行時支持庫包括C編譯器所支持的ANSI標(biāo)準(zhǔn)運行支持函數(shù)、I/O函數(shù)、浮點運算函數(shù)和公用程序函數(shù)。

（8）16進制轉(zhuǎn)換公用程序?qū)⒐媚繕?biāo)格式文件轉(zhuǎn)換成其它目標(biāo)格式。

（9）交叉引用列表器通過目標(biāo)文件產(chǎn)生參照列表文件，絕對列表器將輸入的目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換為abs文件，并通過轉(zhuǎn)換后的文件產(chǎn)生包含絕對地址的列表文件。

DM642芯片提供在線硬件仿真支持，能通過CCS下載圖像處理算法代碼和圖像數(shù)據(jù)，還可以控制程序的執(zhí)行以及進行相應(yīng)的實時監(jiān)測，以此來完成系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試。

2.2圖像處理算法

圖像處理部分主要采用Otsu算法。Otsu算法是由日本學(xué)者大津展之在1979年提出的最大類間方差法，這種方法是將最小二乘法的原理作為理論依據(jù)，并結(jié)合灰度直方圖提出的基于方差概念的閾值分割方法[17]。

3實驗結(jié)果

3.1軟件調(diào)試實驗

本文首先選用基于Winscanopy的高清晰度魚眼鏡頭采集的離線半球圖像作為軟件調(diào)試測試樣本，并在CCS的Simulator模式下進行模擬實際芯片環(huán)境的實驗，其目的是為了測試處理算法的有效性和普適性。

整個模擬實驗共分為三個步驟：首先，設(shè)置CCS工作在Simulator環(huán)境中，芯片型號設(shè)置為DM642；然后將已經(jīng)編寫好的C文件和CMD文件加入工程并進行編譯，編譯好的OUT文件在Debug目錄下；最后，運行編譯好的程序，并觀察實驗結(jié)果。為了便于觀察DM642芯片的運行情況，在程序中設(shè)置數(shù)個斷點并采用單步執(zhí)行的方法運行程序。CCS實驗界面和實驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

從實驗結(jié)果可以看出，所采用的Otsu算法可以在DM642芯片中完成對林木冠層半球圖像的有效分割。

3.2實際測試

為了進一步驗證本文設(shè)計的林木冠層采集系統(tǒng)的實時性和有效性，以索尼公司的普通CCD攝像頭作為采集裝置，將整個系統(tǒng)放置在林木中進行實際測試，采集和處理結(jié)果如圖7所示。實驗結(jié)果表明，采集和分割結(jié)果可以通過冠層顯示模塊液晶顯示屏進行實時顯示，因此，所設(shè)計的系統(tǒng)可以實時、有效地完成林木冠層圖像的采集與處理。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一種林木冠層圖像采集與處理系統(tǒng)，以DSP作為系統(tǒng)的核心，采用Otsu算法進行圖像處理運算，用于圖像處理算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)流的控制以及所有程序的調(diào)度。由攝像頭和解碼芯片采集林木冠層圖像數(shù)據(jù)，再通過編碼芯片將處理后的結(jié)果顯示在液晶屏上。最后，進行了離線調(diào)試和在線采集處理實驗，驗證了該采集設(shè)備的可行性與實用性。所設(shè)計的系統(tǒng)對于林木冠層參數(shù)的獲取和分析具有一定的實際應(yīng)用價值。

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