淺談數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展及其在圖像處理中的應(yīng)用

宋飛 西安航空學(xué)院

淺談數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展及其在圖像處理中的應(yīng)用

宋飛 西安航空學(xué)院

本文主要以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)概述作為出發(fā)點(diǎn)，并從圖像簡(jiǎn)易系統(tǒng)、圖像復(fù)雜系統(tǒng)兩方面探討了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在圖像處理中的具體應(yīng)用，希望可以為促進(jìn)圖像處理行業(yè)的快速發(fā)展提供一些參考和意見。

數(shù)字信號(hào) 圖像處理 發(fā)展 應(yīng)用

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸形成一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域。該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在速度快、較為靈活等，因此將其應(yīng)用至圖像處理行業(yè)，對(duì)于提高圖像處理效率和質(zhì)量具有重要意義。該技術(shù)包含的內(nèi)容較多，涉及生物學(xué)、信息科學(xué)等，為人類快速接受圖像信息和數(shù)據(jù)提供了較大的便利。

1 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)概述

1.1 定義

數(shù)字處理技術(shù)是一種圖像處理技術(shù)，其基礎(chǔ)是數(shù)字信號(hào)處理，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學(xué)信號(hào)。借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)學(xué)信號(hào)展開編碼、復(fù)原、提取等。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，該技術(shù)被大力推廣與應(yīng)用。尤其是圖像處理領(lǐng)域，為提高圖像處理效率和質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基石。

1.2 發(fā)展

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于遙感航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程、工業(yè)和工程等各個(gè)領(lǐng)域，在一定程度上促使數(shù)字圖像處理行業(yè)得到快速發(fā)展。其中，DS（P信號(hào)處理器）作為一種微處理器，其優(yōu)勢(shì)在于輸入、輸出速度快，非常適合數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理。該技術(shù)的提出時(shí)間為上世紀(jì)60年代，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及時(shí)代的變遷，該技術(shù)形成了DSP理論和算法內(nèi)容。早期時(shí)候，將該技術(shù)理論運(yùn)用于具體的實(shí)踐活動(dòng)中，從而研發(fā)了一系列信號(hào)系統(tǒng)。其中，分立元件是數(shù)學(xué)信號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)成元素之一，被具體應(yīng)用到軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域，標(biāo)志著信號(hào)處理器正式投入到各個(gè)領(lǐng)域。1982年，美國(guó)一個(gè)公司研究了DSP芯片，標(biāo)志著該技術(shù)逐漸走向成熟。在后期的30年中，出現(xiàn)了與該技術(shù)相關(guān)的理論，在一定程度上加快了相關(guān)技術(shù)的更新速度。比如TMS320C6416T，其性能較高，在工程和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。利用0.09um的加工工藝、依據(jù)掃描IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)而形成的一種點(diǎn)定型DSP。其核電壓為1.2v，數(shù)據(jù)運(yùn)算速度非常快。除此之外，芯片內(nèi)部還提供了傳輸協(xié)議。其目的是用來(lái)支持3GPP系統(tǒng)。一個(gè)完整的DSP系統(tǒng)主要包括兩元素，一是DSP芯片，二是外接存儲(chǔ)器。目前，運(yùn)用較多的外接存儲(chǔ)器主要包括FLASH ROM、AT29LV系列。這些存儲(chǔ)器不僅速度快，且可以擦除數(shù)據(jù)。就數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而言，可以選用DRAM、SRAM。

2 在圖像處理中的具體應(yīng)用

傳統(tǒng)模擬電路逐漸被數(shù)字處理技術(shù)所取代。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，應(yīng)選擇DSP芯片和元件。有些系統(tǒng)比如IP視頻電話、監(jiān)視IP攝像機(jī)等，對(duì)處理器的性能較高。有些系統(tǒng)比如生物辨識(shí)、組網(wǎng)等對(duì)設(shè)備的功耗要求較低。除此之外，有些系統(tǒng)比如數(shù)字電源、工業(yè)驅(qū)動(dòng)品等要求最優(yōu)化控制。

2.1 圖像采集簡(jiǎn)易系統(tǒng)

該系統(tǒng)建立在DSP基礎(chǔ)之上，其圖像采集工作主要由攝像頭CCD負(fù)責(zé)。采集圖像資料之后，需要經(jīng)過(guò)視頻A/D芯片轉(zhuǎn)換成視頻內(nèi)容。將視頻內(nèi)容存儲(chǔ)在具體的圖像處理存儲(chǔ)器內(nèi)，然后將其送至DSP芯片展開壓縮處理。最后，完成輸出圖像。

2.2 圖像采集復(fù)雜系統(tǒng)

簡(jiǎn)易系統(tǒng)已無(wú)法滿足廣大客戶的實(shí)際需求。針對(duì)于此，需要運(yùn)用圖像復(fù)雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在DSP基礎(chǔ)之上，適合于數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的場(chǎng)合。

在圖像結(jié)構(gòu)中，主控制部位是FPGA。其存在的價(jià)值是控制各部分工作。采用兩片DSP展開并行工作，既可以提高數(shù)據(jù)運(yùn)算效率，又可以實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)壓制速度。選用的FPGA出自ALTERA公司的高端Stratix IV GX FPGA。選用的DSP為美國(guó)TI公司的TMS320C6455-1200或者AD公司的ADSP-21369KBPZ-3A，其性能較高，能夠滿足客戶實(shí)際需求。具體工作原理如下：數(shù)據(jù)交換部分構(gòu)成元素包括兩點(diǎn)，一是EPGA，二是SRAM。EPGA的任務(wù)為：第一，控制SRAM、A/D、D/A數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序。第二，負(fù)責(zé)和DSP數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成元素包括兩點(diǎn)：一是DSP，二是FLASH。FLASH是系統(tǒng)的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)通上電之后，DSP組通過(guò)芯片從存儲(chǔ)器中讀入所需數(shù)據(jù)。然后引導(dǎo)程序，在SRAM中導(dǎo)入其他芯片。當(dāng)程序運(yùn)行過(guò)程中，DSP從SRAM中讀取程序和相關(guān)數(shù)據(jù)。完成之后，會(huì)在第一時(shí)間將相關(guān)信號(hào)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的DSP中。當(dāng)DSP接受信號(hào)之后，將視頻圖像數(shù)據(jù)輸出來(lái)，展開數(shù)據(jù)計(jì)算、進(jìn)行圖像壓縮。最后打包數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)模塊中，再輸出。在這一過(guò)程中，圖像處理的核心是DSP芯片和FPGA，同時(shí)也是影響圖像處理效果的關(guān)鍵要素。在FEAM中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。在FPGA中，能夠提供地址信號(hào)。并從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入與輸出。

在現(xiàn)代信息處理技術(shù)中，其核心技術(shù)包括兩點(diǎn)，一是信號(hào)處理技術(shù)，二是信號(hào)處理器。為進(jìn)一步提高數(shù)字系統(tǒng)的整體性能，需要積極引入高性能的集成電路和處理設(shè)備。在圖像處理過(guò)程中，引入信號(hào)處理技術(shù)，既可以滿足廣大客戶的實(shí)際需求，又可以增強(qiáng)圖像處理效果，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)輸入和輸出。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展前景較為可觀，能夠?yàn)槿藗兊纳钆c生產(chǎn)提供較大的便利。

[1]李鵬.基于新形勢(shì)下的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展研究[J].電子測(cè)試,2016,(06):76-77