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基于DSP的数字图像处理.docx

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.52M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1绪论
    1.1图像处理的研究背景
    1.2图像处理国内外研究现状
    1.3 图像处理研究内容及意义
    1.3.1图像处理研究内容
    1.3.2本文的研究意义
    1.4 小结
    2 基于DSP的开发系统
    2.1 DSP系统简介
    2.2 DSP芯片
    2.2.1 DSP芯片的基本结构
    2.2.2 DSP芯片的种类
    2.2.3世界主要的DSP芯片制造公司及其产品
    2.2.4 DSP发展现状及应用简介
    2.2.5 DSP技术展望
    2.3 DSP芯片的特点
    2.4图像处理中DSP芯片的选择
    2.5基于DSP的图像处理系统
    3 CCS开发环境的应用与仿真
    3.1 CCS的安裝及简介
    3.1.1 CCS简介
    3.1.2 CCS的安装使用
    3.1.3 CCS的配置与使用
    3.2仿真处理分析
    4基于DSP的图像处理
    4.1图像处理的基本概念
    4.2图像处理的硬件系统
    4.2.1 TMS320C6000 DSP芯片的硬件系统
    4.2.1.1 算术单元
    4.2.1.2 总线结构
    4.2.1.3 专用寻址单元
    4.2.1.4 流水处理
    4.2.1.5 大容量片内存储器
    4.2.1.6 零消耗循环控制
    4.2.2 TMS320C6000的硬件结构简介
    图4-1 TMS320C6000系列CPU结构
    4.2.3试验平台评估
    4.3基于DSP的图像处理实现
    4.3.1图像直方图统计
    4.3.2数字图像边缘检测 sobel 算子
    4.3.3数字图像锐化 laplace 算子
    4.3.4图像取反
    4.3.5数字图像直方图均衡化增强
    4.4试验及结果分析
    致谢
    参考文献
    附录
    目录 目录 摘要…………………………………………………………………………………………….I Abstract………………………………………………………………………………………II 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 图像处理的研究背景...................................................................................................1 1.2 图像处理国内外研究现状...........................................................................................2 1.3 图像处理研究内容及意义..........................................................................................4 1.3.1 图像处理研究内容.............................................................................................4 1.3.2 本文的研究意义.................................................................................................5 1.4 小结..............................................................................................................................6 2 基于 DSP 的开发系统............................................................................................................7 2.1 DSP 系统简介...............................................................................................................7 2.2 DSP 芯片.......................................................................................................................7 2.2.1 DSP 芯片的基本结构.........................................................................................8 2.2.2 DSP 芯片的种类.................................................................................................8 2.2.3 世界主要的 DSP 芯片制造公司及其产品........................................................9 2.2.4 DSP 发展现状及应用简介...............................................................................10 2.2.5 DSP 技术展望...................................................................................................12 2.3 DSP 芯片的特点.........................................................................................................12 2.4 图像处理中 DSP 芯片的选择....................................................................................15 2.5 基于 DSP 的图像处理系统........................................................................................16 3 CCS 开发环境的应用与仿真...............................................................................................17 3.1 CCS 的安裝及简介.................................................................................................... 17 3.1.1 CCS 简介.......................................................................................................... 17 3.1.2 CCS 的安装使用.............................................................................................. 19 3.1.3 CCS 的配置与使用.......................................................................................... 21 3.2 仿真处理分析.............................................................................................................22 4 基于 DSP 的图像处理...........................................................................................................24 4.1 图像处理的基本概念.................................................................................................24 4.2 图像处理的硬件系统.................................................................................................24 4.2.1 TMS320C6000 DSP 芯片的硬件系统.............................................................24 4.2.2 TMS320C6000 的硬件结构简介..................................................................... 26 4.2.3 试验平台评估...................................................................................................28 4.3 基于 DSP 的图像处理实现........................................................................................29 4.3.1 图像直方图统计...............................................................................................29 4.3.2 数字图像边缘检测 sobel 算子.......................................................................30 4.3.3 数字图像锐化 laplace 算子............................................................................32 4.3.4 图像取反...........................................................................................................35
    目录 4.3.5 数字图像直方图均衡化增强...........................................................................36 4.4 试验及结果分析.........................................................................................................37 结论……………………………………………………………………………...……………42 致谢..........................................................................................................................................43 参考文献..................................................................................................................................44 附录..........................................................................................................................................45
    目录 1 绪论 1.1 图像处理的研究背景 数字图像处理又称为计算机图像处理在国外最早出现于 20 世纪 50 年代，当时的电 子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像 处理作为一门学科大约形成于 20 世纪 60 年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像 的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中，输入的是质量低的 图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压 缩等。首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室（JPL）。他们对航天探测器徘徊 者 7 号在 1964 年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、 去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制 出月球表面地图，获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为 复杂的图像处理，以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，获得了非凡的成果， 为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的 宇航空间技术，如对火星、土星等星球的探测研究中，数字图像处理都发挥了巨大的作 用。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972 年英国 EMI 公 司工程师 Housfield 发明了用于头颅诊断的 X 射线计算机断层摄影装置，也就是我们通 常所说的 CT（Computer Tomograph）。CT 的基本方法是根据人的头部截面的投影，经 计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975 年 EMI 公司又成功研制出全身用的 CT 装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979 年，这项无损伤诊断技术获 得了诺贝尔奖，说明它对人类作出了划时代的贡献。与此同时，图像处理技术在许多应 用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、生物医 学过程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使图像处理成为 一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的深入发展，从 70 年代中期 开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、 更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理 解外部世界，这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家，特别是发达国家投入更多的 人力、物力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是 70 年代末 MIT 的 Marr 提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思 1
    XX 大学毕业设计论文 想。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展，但它本身是一个比较难的研究 领域，存在不少困难，因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少，因此计算机视觉是一 个有待人们进一步探索的新领域。 1.2 图像处理国内外研究现状 所谓图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需求的行为。 图像处理的手段有光学和数字两种方法。前者从简单的光学滤波到现在的激光全息技术， 理论已经日趋完善；但是光学处理图像精度不够高，稳定性差。数字图像处理一般都用 计算机处理或实施的硬件处理，因此也称之为计算机图像处理，其优点是处理精度高， 处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力。首次获得实际成功应用 的是美国喷气推进实验室， 他们对航天探测器徘徊者 7 号在 1 9 6 4 年发回的几千张月球照片使用了数字图像处 理技术，为人类登月创举奠定了坚实的基础， 也推动了数字图像处理这门学科的诞生。 与此同时， 图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就， 属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事 制导、文化艺术等， 使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。从 7 0 年代 中期开始， 随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展， 数字图像处理向 更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉 系统理解外部世界， 这被称为图像理解或计算机视觉。 随着计算机及通信技术的发展，图像和视频的应用愈加广泛。大部分图像数据在实 际应用前都需要进行有针对性的处理，如根据图像数据的特点和应用领域对图像进行增 强、锐化、除噪、除雾和识别等。此外，为了有效实时的传输信息，还必须对图像进行 压缩，图像粗粒技术尤其是实时图像处理现在已经成为一门热门的研究课题。 图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人 类生活和工作的方方面面。随着科学技术的发展，数字图像处理技术的应用领域也将随 之不断扩大。数字图像处理技术未来应用领域主要有以下六个方面： （1）航天航空技术方面 数字图像处理技术在航天航空技术方面的应用，除 JPL 对 月球、火星照片的处理之外，另一方面是在飞机遥感和卫星遥感技术中。图像在空中先 处理（数字化编码）成数字信号存人磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下 来，然后由处理中心分析判读。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判 读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用各类卫星所获取 的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察、农业规划、城市规划。在气象预报和对太 空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。 2
    XX 大学毕业设计论文 （2）生物医学工程方面数字图像处理技术在生物医学工程方面的应用十分广泛， 且很有成效。除了 CT 技术之外，还有一类是对医用显微技术的处理分析，如染色体分 析、癌细胞识别等。此外，在 X 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体 定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。 （3）通信工程方面当面通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的流 媒体通信。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电 视信号的速率达 100M/s 以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技 术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。 （4）工业工程方面在工业工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，它大大提高 了工作效率，如自动装配线中质量检测，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的 自动分拣，在一些恶性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进设计和制造技术 中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人， 将会给工农业生产带来新的面貌，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效 的利用。 （5）军事公安方面在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确制导，各种侦 察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统和模拟训练系统等； 公安方面主要用于指纹识别、人脸鉴别、不完整图片的复原以及交通监控、事故分析等。 目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别就是图像 处理技术成功应用的例子。 （6）文化艺术方面的应用 目前这类应用有电视画面的数字编辑、动画的制作、电 子图像游戏、纺织工艺品设计、服装设计与制作、发型设计、文物资料照片的复制和修 复、运动员动作分析和评分等等。目前正在形成一门新的艺术——计算机美术。 表 1-1 图像处理各领域应用 学科 物理、化学 生物、医学 环境保护 地质 农业、林业 气象 通信 工业 军事 渔业 应用 结晶分析、谱分析等 细胞分析、染色体分类、X 射线成像 水质及大气污染调查等 资源勘测、地图绘制、GIS 等 农作物估产、植被分布调查等 卫星云图分析等 传真、电视、多媒体通信等 工业探伤、机器人、产品质量检测等 导弹导航、军事侦察等 鱼群分布调查等 3
    XX 大学毕业设计论文 水利 法律 河流分布、水利及水害调查等 指纹识别等 自 20 世纪 60 年代第三代数字计算机问世以后，数字图像处理技术出现了空前的发 展，在该领域中需要进一步研究的问题主要有如下五个方面： （1）在进一步提高精度的同时，着重解决处理速度问题； （2）加强软件研究，开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术 和研究成果，创造新的处理方法； （3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展； （4）加强理论研究，逐步形成处理科学自身的理论体系； （5）时刻注意图像处理领域的标准化问题。 数字图像处理的今后的应用越来越广泛，地位越来越重要，在未来现代化建设中将 要发挥无与伦比的重要作用。 1.3 图像处理研究内容及意义 1.3.1 图像处理研究内容 数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： （1）图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。 因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间 接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有 效的处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。目前新兴研究的小波变换在 时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。 （2）图像编码压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便 节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得， 也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术 中是发展最早且比较成熟的技术。 （3）图像增强和复原图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声， 提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。 如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图 像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程 建立"降质模型"，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。 （4）图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像 中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步 4
    XX 大学毕业设计论文 进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法， 但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入 之中，是目前图像处理中研究的热点之一。 （5）图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像 可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界 描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。随着图像处 理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、 广义圆柱体描述等方法。 （6）图像分类（识别）：图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图 像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决 分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构）模式分类， 近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受 到重视。 应用工具：数字图像处理的工具可分为三大类:第一类包括各种正交变换和图像滤波 等方法,其共同点是将图像变换到其它域(如频域)中进行处理(如滤波)后,再变换到原来 的空间(域)中；第二类方法是直接在空间域中处理图像,它包括各种统计方法、微分方法 及其它数学方法；第三类是数学形态学运算,它不同于常用的频域和空域的方法,是建立 在积分几何和随机集合论的基础上的运算。由于被处理图像的数据量非常大且许多运算 在本质上是并行的,所以图像并行处理结构和图像并行处理算法也是图像处理中的主要 研究方向。 应用领域：图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必 然涉及到人类生活和工作的方方面面。随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用 领域也将随之不断扩大。 1.3.2 本文的研究意义 本文设计了一种高速数字图象信号处理平台的实现方案，在 DSP 芯片的固有功能 和通用管脚接口的基础上进行扩充，实现信号采集、压缩和增强等基本的图像处理功能， 构造一个具有通用性、可扩充性、灵活的多功能高速图像数字信号处理平台。通过深入 学习 DSP 技术相关理论基础知识，设计实用的 DSP 图像处理算法及其实现程序，并实 际进行测试验证程序的实时性和有效分析现有算法的优缺点和应用范围；对论文选定算 法进行理论研究和程序仿真验证，并给出算法原理说明和相应 DSP 程序；用原始信号 数据对程序进行测试，对程序进一步改进，提高程序的可靠性。 实时图像信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的 要求高，但运算结构相对比较简单，高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法 5
    XX 大学毕业设计论文 少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高，寻址方式灵活的硬件芯片。因此，实 现图像处理的最佳选择是功能强大的 DSP 技术。 DSP 技术最大的特点是结构比较灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能 够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合予实时信号处理。 1.4 小结 数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计 算机对其进行处理的过程。数字图像处理最早出现于 20 世纪 50 年代，当时的电子计算 机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作 为一门学科大约形成于 20 世纪 60 年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量， 它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中，输入的是质量低的图像，输 出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。随 着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次 发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世 界，这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物 力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。图像处理的方法主要有图像变换，压缩编 码，图像复原增强，图像分割，图像分类等。对图像处理的研究有一定的专业的方法及 工具，以及广阔的应用领域，包括航天，工业，军事，医学，通信，文化等等。本文设 计了一种高速数字图象信号处理平台的实现方案，在 DSP 芯片的固有功能和通用管脚 接口的基础上进行扩充，实现信号采集、压缩和增强等基本的图像处理功能，构造一个 具有通用性、可扩充性、灵活的多功能高速图像数字信号处理平台。DSP 技术最大的特 点是结构比较灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时 其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合予实时信号处理。 6
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