基于DSP的電子變倍系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(shí)際應(yīng)用中具有重要的作用。數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼變焦即是一種電子變倍系統(tǒng)，在數(shù)碼相機(jī)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(jī)內(nèi)的處理器把圖片內(nèi)的每個(gè)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(shí)，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的變焦焦距具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)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(huì)發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,視頻監(jiān)控技術(shù)已處于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的發(fā)展期,進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以保證系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性以及穩(wěn)定性，同時(shí)又有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(tái)等部分組成,系統(tǒng)的主要框架如圖1所示。

TM320DM6437 DSP芯片對(duì)從視頻處理前端傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過最鄰近插值算法和雙線性插值算法等對(duì)視頻圖像進(jìn)行變倍處理，之后數(shù)據(jù)再通過視頻后端處理，將信號(hào)重新編碼為模擬信號(hào)，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(hào)，并在彩色顯示屏上居中顯示縮放后的圖像，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能人機(jī)交互功能。

2 基于SEED-DEC6437的視頻采集回放

本系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)于通過反向變換得到的一個(gè)浮點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的取整，得到一個(gè)整數(shù)型坐標(biāo)，這個(gè)整數(shù)型坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素值就是目標(biāo)像素的像素值。對(duì)于從上到下、從左到右掃描的圖像來說，取浮點(diǎn)坐標(biāo)最鄰近的左上角點(diǎn)對(duì)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(diǎn)周圍的4個(gè)鄰點(diǎn)的像素值在x、y兩個(gè)方向上作線性內(nèi)插，即待插點(diǎn)處的數(shù)值用離待插點(diǎn)最近的4個(gè)點(diǎn)的值加權(quán)求得。對(duì)于一個(gè)目的像素，設(shè)置坐標(biāo)通過向后映射法得到浮點(diǎn)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(diǎn)數(shù)，隨放大后像素行列坐標(biāo)的不同而改變，則這個(gè)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(duì)應(yīng)的周圍 4 個(gè)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(duì)最近鄰插圖算法和雙線性插值算法進(jìn)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(shí)施

4.1 總體設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)各模塊初始化以后，BIOS根據(jù)實(shí)現(xiàn)的配置自動(dòng)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(jī)接口的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)人機(jī)交互模塊采用TMS320VC5402作為主控制器，同時(shí)外擴(kuò)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(duì)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(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(gè)硬件中斷(McBSP硬件中斷)和兩個(gè)任務(wù)(視頻任務(wù)和通信任務(wù))，兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(shí)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(shí)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(duì)一幅原始圖像在尺寸比例上的放大或者縮小，然而，對(duì)于縮放后的圖像的顯示區(qū)域?qū)⑹且粋€(gè)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(shí)際感興趣的區(qū)域可能不會(huì)出現(xiàn)在顯示屏上。這里，強(qiáng)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(huì)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(duì)實(shí)時(shí)視頻圖像進(jìn)行變倍處理時(shí)，本系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性；人機(jī)交互模塊中選擇頁(yè)面可以循環(huán)切換，任務(wù)之間靈活調(diào)度；整個(gè)系統(tǒng)交互性強(qiáng)，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(yùn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)顯示屏。若選取區(qū)域?yàn)?，則將編號(hào)為4的區(qū)域塊放大到整個(gè)顯示屏，如圖8所示。

根據(jù)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最近鄰插值算法處理后的圖像會(huì)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(yùn)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(shí)時(shí)的圖像輸出，只能采用相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)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(duì)于視頻圖像實(shí)時(shí)性操作上，最近鄰插值的算法更優(yōu)。

[1]李秀英，袁紅.幾種圖像縮放算法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，3(5):48-51.

[2]符祥，郭寶龍.圖像插值技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與技術(shù)，2009，30(1):141-144.

[3]鄧林華，柳光乾.基于插值算法的圖像縮放的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(31):23-24.

[4]苗莎，鄭曉微.雙線性插值圖像放大并行算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28(11):182-184.

[5]王昊京，王建立.采用雙線性插值收縮的圖像修復(fù)方法[J].光學(xué)精密工程，2010，18(5):1234-1241.

[6]田利波，王瑞光.基于移動(dòng)窗口的圖像縮放算法[J].電視技術(shù)，2007，31(8):18-20.

[7]JAIN K K,SHARMA T.A comparative study of image scaling algorithms[J].International Journal of Engineering and Advanced Technology(IJEAT)，2012,3(1).

[8]KIM C H,SEONG S M.An image-scaling algorithm using an area pixel model[J].IEEE Transactions on Circuits and System for Video Technology，2003，13(6):549-553.