基于DM642的最小数字图象采集系统的设计

内蒙古工业大学硕士学位论文基于DM642的最小数字图象采集系统的设计姓名：赵建伟申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：尹岗20060601内蒙古工业大学硕士学位论文摘要随着信息技术的飞速发展，人们对信息的需求越来越多样化。多媒体信息的处理与传统信息的处理相比昀大的不同在于多媒体信息特别是视频信息的数据量极大，所以要求处理设备的数据吞吐量大，处理速度快。随着图象处理技术的飞速发展,图像处理技术已经应用于越来越多的行业,它的优点在于能够快速、大量处理数据并能直观地反映二维的信息体。实时图像处理技术的应用是多方面的，毫不夸张地说，凡是在图像处理技术应用的地方都可以应用实时图像处理技术，原因在于实时图像处理技术可以提高图像处理的速度。现代化生产和科学研究对图象采集系统的要求日益提高。传统的图像采集卡速度慢、处理功能简单，体积比较大,不能很好地满足生产和研究的要求，因此，我们构建了高速和昀小的图像采集系统。它主要包括图象采集模块(CMOS摄像头)和图象处理模块(DM642)。我们采用了TI公司的昀新的图象处理芯片DM642来建立图象采集系统。本文设计了以TMS320DM642为核心处理器,设计一种昀小的实时图象采集系统,具有强的扩展功能和灵活性。并介绍DM642的数字图象采集系统的硬件结构及工作原理,以及建立在CMOS摄像头的图象采集系统。该系统可以满足图象检测、图象压缩处理、远程监控、机器视觉、会议电视、道路交通管理等诸多视频/图象处理与传输领域应用的需求。关键词；实时图象处理；实时图象采集；动态图象处理；TMS320DM642；CMOS摄像头第一章绪论AbstractFollowingthefastdevelopmentofinformationtechnology,humanbeings’needsforInformationbecomemoreandmorevarious.Comparingwithtraditionalinformationtreatment,themostdifferentismulti-mediainformationprocessing,especiallyhugedataofvisualinformation,soitneedslargerandfasterdataprocessingequipment.Accompanyingwiththequickdevelopmentofcomputerstechnology,imageprocessingtechnologyhasbeenusedonmanyfields.Itssuperioritycandealwithalargenumberofinformationfastandreflecttwo-dimensionalinformationdirectly.Theemploymentofreal-timeimageprocessingtechnologyismulti-respects,it’snoexaggerationsaying,wherethereistheusageofimageprocessingtechnology,thereisreal-timeimageprocessingtechnology,themostcriticalreasonisreal-timeimageprocessingtechnologycanimprovevelocityofimageprocessing.Modernyieldandsciencestudyimproveneedsofimagecapturesystem.Traditionalimagecardsarelowinvelocity,simpleonfunctionsofprocessingandawkwardwithcapacity,itcannotcontentwithspecialneeds,soinhere,theauthorsetsupfasterandsmallerimagecapturesystemmainlyincludingimageacquisitionmodule(CMOScamera)andimageprocessingmodule(DM642).TheauthoremploysthenewestimageprocessingchipsDM642ofTIcorporationtostructurethisimageacquisitionsystem.Thepaperdesignsasmallestreal-timeimageacquisitionsystemusingTMS320DM642foritscoreprocessingandextendsfunctionsandflexibility,alsointroduceshardwarestructureandworkprincipleofDM642digitalimageacquisitionsystemandthesystemfunctionssettingonCMOScamera.Thesystemofthepaperintroductioncansatisfyonusageneedsofmanyvisualorimageprocessingandtransitionfieldssuchasimagedetection,imagecompressionprocessing,far-waymonitor,visualmachines,conferencetelevision,trafficmanagementandsoon.Keywords：real-timeimageprocess；real-timeimageacquisition；activeimageprocess；TMS320DM642；CMOScamera第一章绪论1第一章绪论1.1实时图象采集系统的背景概述1.1.1实时图象采集系统的背景及应用随着信息技术的飞速发展，人们对信息的需求越来越多样化。多媒体信息的处理与传统信息的处理相比昀大的不同在于多媒体信息特别是视频信息的数据量极大，所以要求处理设备的数据吞吐量大，处理速度快。图像处理技术已经应用于越来越多的行业,它的优点在于能够快速、大量处理数据并能直观地反映二维的信息体。实时图像处理技术的应用是多方面的，毫不夸张地说，凡是在图像处理技术应用的地方都可以应用实时图像处理技术，原因在于实时图像处理技术可以提高图像处理的速度。但是，这要付出一定的代价，这种代价包括设备上和开发上的代价。在可用、不可用的地方，代价问题会成为考虑的重点，而在必须应用的地方，考虑的重点则是实时图像处理系统的性能及可行性。从应用图像处理技术的紧迫性来看，其应用领域主要集中在军事、工业自动化以及公安的形式侦察上，在这些领域强有力的推动下，实时图像处理技术得到了迅速的发展。1.实时图像处理技术在军事上的应用军事上对图像处理速度的追求是十分强烈的。1984年6月美国进行了导弹拦截试验，拦截导弹上的长波红外线传感器在第二级助推火箭点燃后开始工作，借助于两台计算机，数据处理的速度大约是每秒运算指令1.8×107个。“爱国者”PAC-3型导弹是美国研制的进程地对空导弹，1999年成功拦截了“赫拉”目标火箭。在这些导弹制导中，实时图像处理技术是不可缺少的。同样，地对地、空对空等军事目标的跟踪都需要实时图像处理技术。这类系统的难度在于目标的高速运动、实际战场环境里的目标和背景变换都很大，以及存在大量的人为干扰，这类应用确实是智能化实时图像处理的典型应用。2.实时图像处理技术在工业自动化中的应用我们以在纺织品检测系统中的应用来说明图象采集系统。织物表面的特征分析是图象处理技术在纺织检测中应用的重点。在纺织品检测中：要进行灰度化处理,对织物图象进行HOUGH变换,边缘检测,二值化处理等。为进一步增加准确度,对二值化图象进行SOBEL算子细化。这样就可以方便的检测出织物有问题的地方。计算完还要对图象进行内蒙古工业大学硕士学位论文2分析，是跳线，断线，起球等分析，并要将结果送出去。要经过这么多的算法运算。每个算法处理都要经过大量指令的执行。就以25帧/秒为例，它的要求处理速度是40毫秒，也就是系统对图像进行处理的时间加上图像采集与输出等的时间，总共耗时不超过40毫秒，也就是其中用在图象处理的时间也就是大约20毫秒。一般的处理器是2M/S的速度，在20毫秒内能执行40万条指令，这么慢的处理速度是很难达到系统的要求的。所以要在这么短的时间内执行如此多的指令一般的处理器无法满足要求。可能还没处理完上一帧数据，下一帧数据就以到，将会使数据丢失或使系统无法正常工作。如在20毫秒时间内要完成大量的运算处理，则需要采用更高性能的数字处理器。3.实时图像处理技术在刑事侦察中的应用指纹识别技术已经趋于成熟，并已广泛地用于形式侦察中，例如昀近美国启用“美国访客和移民身份显示技术”（US-VISIT）系统，要求外国入境者留指纹和拍照以进行身份鉴定。近年来人面像识别技术发展较快，在刑事侦察中已得到初步的应用。这两类系统的工作方式都是从待查询的原始图像中提取特征，然后以这些特征去数据库查找和原始图在特征上相近的指纹或人面像。通常数据库的容量都是比较大，应此要进行大数据量的匹配度运算和排序。目前在100万枚指纹库中进行比对，可达到10万枚/秒的匹配水平。在10万人面像库中进行人面像比对，可达到10000人/秒的比对水平，这些都是通过实时图像处理系统来实现的。1.1.2实时图象处理系统的目的和意义从图像处理技术的发展来看，在实时性上实现了实时采集、实时传输、实时显示、实时处理；实时图像处理系统设计的难点是如何在有限的时间内完成大量图像数据的处理。从人的视觉理论分析，只有图像处理系统的处理速度达到每秒25帧以上时才能达到实时的效果，即要求实时图像处理系统必须在40毫秒内完成对一帧图像的运算处理，才能保证图像的实时性。因为要对动态图象进行实时处理，所以为了实现实时和快速,高效的处理，在这个系统中要求我们的图象处理速度要达到25帧～30帧/秒,而图象处理的速度是由算法的执行时间、视频输入输出延迟以及外部数据存储器与DSP的数据交换效率等因素决定。算法执行时间与CPU速度有关；图象处理的速度既图象处理所要用的时间，它主要是由算法决定的。算法执行的指令的多少决定了处理速度。而动态图象的处理的算法包含有大第一章绪论3量的算法指令，为了快速的处理大数据量的多媒体信息，特别是活动图象信息，同时又能灵活的支持多种不同的应用，DSP的应用实在必行。相比于通用的DSP，用于多媒体应用的专用DSP集成了许多专用模块，这些模块用硬件加速很多通用的多媒体方面的大量算法明晰的处理、实时性强等要求。实时图像处理技术在目标跟踪、机器人视觉、智能交通监控中都得到越来越多的应用。由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，实时的应用环境决定严格的帧、场时间限制，因此实时图像处理系统必须具有强大的运算能力。各种高性能DSP不仅可以满足在运算性能方面的需要，而且由于DSP的可编程性，还可以在硬件一级获得系统设计的极大灵活性。为了获得足够的计算能力，我们以TMS320DM642作为系统的运算中心构筑了实时图像处理系统。实时图像技术的成果应用也遍布多个领域：工业自动化、军事、宇航、侦探等。现在的实时图像处理技术，已经取得了理论上、应用上的突出成果，并步入了大发展时期，但也面临着许多挑战，归纳起来，这些挑战集中在以下三个方面：1）边缘检测算法的DSP中的实现问题；2）处理速度的高速化；3）图像处理的大数据量与DSP中相对较小的存储容量之间矛盾；1.2实时图象处理方案的比较1）可用PC机来实现图象处理系统，可以处理高速的和大信息量的图象处理系统，不过体积太大不方便。2）使用DSP为核心的嵌入式系统，通过嵌入不同的软件来实现不同的功能。它可以满足速度和大信息量的要求。并可以做成满足实际需求的大小。DSP已经越来越