基于DSP的数字图像处理

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目录摘要.IAbstractII TOC o 1-3 h z u 结论.421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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、，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）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

9、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

10、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

11、各领域应用学科应用物理、化学结晶分析、谱分析等生物、医学细胞分析、染色体分类、X射线成像环境保护水质及大气污染调查等地质资源勘测、地图绘制、GIS等农业、林业农作物估产、植被分布调查等气象卫星云图分析等通信传真、电视、多媒体通信等工业工业探伤、机器人、产品质量检测等军事导弹导航、军事侦察等渔业鱼群分布调查等水利河流分布、水利及水害调查等法律指纹识别等自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

12、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：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

13、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。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。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

14、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。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。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

15、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。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

16、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

17、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

18、法的特点是所处理的数据量较低层算法少，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

19、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

20、，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。2 基于DSP的开发系统2.1 DSP系统简介数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机

21、和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。模 拟信 号A/D 转换数 字信 号模 拟信 号A/D 转换数 字信 号DSP 处理数 字信 号D/A 转换模 拟信 号 图2-1 典型的DSP系统结构DSP的一些优缺点如下：DSP优点：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易实现集成；VLS可以分时复用，共享处理器； 方便调整处

22、理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。 DSP缺点：需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限； 数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。但是其优点远远超过缺点。2.2 DSP芯片在数字信号处理技术发展的初期（上世纪5060年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。一般认为，世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。随着大规模集成电路技术的发展，1982

23、年美国德州仪器公司橱柜世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。TI公司穗后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已经推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。美国Analog Device公司在DSP芯片市场也有一定份额，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定点的DSP芯片ADSP2101/2103/2105, ADSP2111/2103/2115, ADSP2161/62/64,浮点DSP有ADSP21000/020 ，ADSP21060/21062等。20世纪80年代以

24、来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，从运算速度来看，MAC（一次乘加运算）时间已经从80年代初期的400ns降到了10ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/C67X等），处理能力提高了几十倍。DSP芯片的引脚数量从1980年的64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加也加强了结构的灵活性。2.2.1 DSP芯片的基本结构系统所需要处理的信号一般为自然条件下的模拟信号，这就需要首先将输入的信号转换为数字的电信号。这就需要A/D输入给DSP系统，DSP系统对数字信号进行某种处理之后，一般还需要输出为模拟信号来供人们使用，所以又用到了A/D（数模转换）模块，将处理后的数

25、字信号转换模拟值。数字信号处理结构稳定性好，可重复性好，可以大规模集成，使得信号处理功能更复杂，手段更灵活，精度更高。2.2.2 DSP芯片的种类数字信号处理器（DSP）是一类具有专门为数字信号处理任务而优化设计的体系结构和指令系统的通用处理器件，具有处理速度快和有复合功能的单周期指令等特点，在高速图像处理中得到了越来越多的应用。DAP芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DAP指令，可用来快速地实现各种信号处理算法，加之集成电路的优化设计，使其处理速度比最快的CPU还快1050倍。DSP芯片按用途或构成分类可以分为下列几种类型： 为

26、不同算法而专门设计的专用芯片：例如用于做卷积/相关并具有横向滤波器结构，INMOS公司的A100、A110；HARRIS公司的HPS43168；PLESSYGEC公司的PDSP16256等。用于做FFT，Austek公司的A41102，PLESSYGEC公司的PDSP16150等。这些都是为做FIR、IIR、FFT运算而设计的，因而运算速度高，但是具有有限的可编程能力，灵活性差。 为某种目的应用专门设计系统，即ASIC系统。它只涉及一种或一种以上自然类型数据的处理，例如音频、视频、语音的压缩和解压，调制/解调器等。其内部都是由基本DSP运算单元构建，包括FIR、IIR、FFT、DCT，以及卷积

27、码的编/解码器及RS编/解码器等。其特点是计算复杂而且密集，数据量、运算量都很大。 积木式结构：它是由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接而成，这种结构方式也称为硬连线逻辑电路。它是一种早期实现方法，具有成本低、速度高等特点，由于是硬连接因而没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端某些高频操作中。 用FPGA（现场可编程陈列）实现DSP的各种功能。实质上这也是一种硬连接逻辑电路，但由于有现场可编程能力，允许根据需要迅速重新组合基础逻辑来满足使用要求，因而更加灵活，而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些大的公司如Xinlinx、Altera也正把FPGA产品扩展到DSP应用中去。 通用可

28、编程DSP芯片：这是目前用得最多的数字信号处理应用器件。 片上系统Soc(Systemon Chip)，这是数字化应用及微电子技术迅速发展的产物，是下一代基于DSP产品的主要发展方向之一。它把一种应用系统集成在一个芯片上。通常，为满足系统的性能要求和提高功率效率，会把DSP和MCU的多处理器处理平台集成在一起。TI公司推出的开放多媒体应用平台（OMAP），用来支持2.5G和3G应用而设计的处理器体系结构，它支持语音、音频、图像和视频信号处理应用的各种性能。其中关键器件有：低功耗的DSP芯片，用来做媒体处理；MCU用来支持应用操作系统及以控制为核心的应用处理；MTC是内存和流量控制器，确保处理器

29、能高效访问外部存储区，避免产生瓶颈现象，提高整个平台的处理速度。2.2.3世界主要的DSP芯片制造公司及其产品（1）TI公司TI公司（Texas Instruments）公司在世界一直处于领先的地位。近年，TI在原来的TMS320CIX、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上又推出了3种高性价比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。这3种芯片，在我国的信号处理硬件领域应用也是非常广泛，下面作些简要介绍：TMS320C2000系列主要用于工业控制领域，提供了全系列的高性能控制芯片，代码运行效

30、率高。除了较强的控制功能之外，还提供了方便的接口与高性能外围器件相连。主要型号有TMS320C24X和28X系列。TMS320C5000系列为高性能的低功耗定点DSP芯片。处理速度最高可以达到900MIPS，功耗很低，可以达到0.33mA/MHz。非常适合移动和手持系统的应用。主要有TMS320C54X和55X系列。TMS320C6000系列为新一代高性价比DSP芯片，是高端DSP处理器的代表。C6000系列的DSP定点运算可以达到1200到8000MIPS（百万条指令/秒），浮点运算可以达到600到1800MFLOPS（百万次浮点操作/秒）的运算速度。主要有定点系列的TMS320C62X和浮

31、点系列的TMS320C67X。TMS320C64X为TI最新推出的高性能定点DSP处理器，时钟速度提高到1GHz，单片处理能力可达到8000MIPS。（2）Analog Device公司ADI公司的DSP目前主要分为3个系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。SHARC系列一直在雷达、声纳信号处理等领域享有很高的声誉，很多商用、军用的信号处理机中都可以看到SHARC的身影。单片处理能力有限的SHARC之所以能够在通信信号处理领域有这么高的声誉，完全是由于ADI优秀的片间互连技术（LINK口），利用这个LINK口可以很方便地将几片、几十片要求的场所利用DSP阵列就很容易达到了。

32、Blackfin是近几年推出的针对性能要求比较高，同时功耗要求又比较低的场所。它所具备的优点很合适在便携式通信产品中使用。TigerSHARC是从SHARC改进的高端DSP，它的出现是ADI公司的DSP在高端领域应用开创了历史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主频高达600MHz，处理能力高达14.4GOPS，还有超大容量的RAM，使它一出世就在高端领域脱颖而出。尤其适合软件无线电的应用。DSP已经发展成为了一种成熟的技术，也是一种成熟的产品，它在数字信息时代占据越来越重要的位置，所以其市场的扩展还存在着巨大的空间。DSP的性能、价格和功耗是决定其市场的三个重

33、要因素。挑战更高的性能，尽可能降低价格和功耗，一直是DSP追求的目标。2.2.4 DSP发展现状及应用简介DSP处理系统的发展现状数字信号处理是一门涉及许多领域的新型学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理芯片也获得了飞速发展。数字信号处理时在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。近年来，随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越来越强大，似的信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那样需要过

34、多的考虑硬件。由于它的出色性能，DAP目前被广泛应用于数字通信、信号处理、工业控制、图像处理等领域。（1）国际发展现状简略国际DSP处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技国保持着国际领先的地位。例如美国DSP research 公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理

35、能力，同时集成了8片32MB的SDAM，数据吞吐600MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4PowerPC处理器，工作频率400/500MHz,两级缓存256K64bit，最高具有16MB的SDRAM。ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国Transtech DSP公司的TP-P36N为例，它由48TS101b（TigerSHharc）芯片构成，时钟250MHz，具有612GFLOPS的处理能力。DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在

36、以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发理念，不断深化产业化进程。（2）我国发展现状随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备，取得了很多研究成果。我国的科研人

37、员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。以我国某电子技术研究所研制的DSP雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSP21060和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理。以FFT算法为例，将任务分为3个流水处理过程：FFT、复数乘法、IFFT，实现多片DSP组成并行处理。在33MHz时钟下，1024点处理通过时间为0.7ms，可以实现单通道数据率为1MHz，双通道并行工作为2MHz。但是应该看到，我国在数字信号处理

38、理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距。并且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口，这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机PCB板级设计和制造也存在一定困难，也是需要我国科研人员发扬用于拼搏的精神，继续的刻苦努力。2.2.5 DSP技术展望（1）向着集成DSP方向发展目前的DSP多数基于RISC（精简指令集）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。现在各DSP厂纷纷采用新工艺，将几个DSP核、MPU核、专用处理单元、外围电路单元和存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统集成电路。（2）内核结构进一步改善多通道结构和单指令多重数据（SIMD）

39、、超长指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构在高性能处理器将占据主导地位。（3）进一步降低功耗和几何尺寸DSP的应用范围已经扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，提高DSP的运算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。（4）与可编程器件结合DSP在许多新的领域的应用要求它借助PLD或FPGA来满足日益增长的处理要求。与常规DSP器件相比，FPGA器件配合传统DSP器件可以处理更多的信道，来满足无线通信、多媒体等领域的多功能和高性能的需求。2.3 DSP芯片的特点DSP处理芯片，为了适应信号处理运算的需要，结构与通

40、用的其他计算机或控制处理器相比，有较大的不同，主要的几点为：（1）具有专用的算术单元，如硬件乘法器，DSP内部设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。（2）具有特殊的总线结构哈佛结构。这种结构使DSP具有独立的地址和数据总线，可以同时取地址和操作数。（3）流水处理。流水技术使多个不同的操作可以同时执行，处理器内将每条指令的执行分为取址、解码、执行等阶段，不同的阶段并行执行，提高了程序执行的效率和速度。（4）高速的芯片内存储器。DSP芯片一般内部集成有程序和数据存储器，访问速度快，缓解总线接口的压力，提高程序执行的速度。DSP运算的特点是寻址操作。数据寻址范围大，结构复杂但很有规律。例如F

41、FT运算，它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越N/2间隔的地址范围，每次变更都很有规律，级间按一定规律排列，虽然要运算log2N遍，但每级的地址都可以预测，也就是寻址操作很有规律而且可以预测。这就不同于一般的通用机，在通用机中对数据库的操作，具有很大的随机性，这种随机寻址方式不是信号处理器的强项。 无论是专用的DSP芯片或通用DSP芯片在结构考虑上都能适应DSP运算的这些特点。而专用芯片在结构上考虑的更加专业化，更为合理，因而有更高的运算速度。DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （

42、3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件I/O支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP芯片的主要任务是面向实时数字信号处理，强调处理的高速性，为此在结构、指令系统、指令流程上，比普通微处理器均做了很大的改进。目前，主流DSP芯片通常具有如下主要特点：（1）采用哈佛结构。DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构,可以同时访问指令和数据，比传统处理器的冯诺伊曼结

43、构有更快的指令执行速度。传统的冯诺伊曼结构是程序和数据公用一个存储空间和单一的地址及数据总线，处理器要执行任何指令时，都要先从储存器中出取出指令解码，再取操作数执行运算。哈弗结构是一种并行的体系结构，他的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的4套总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的数据总线和地址总线可以允许在一个机器周期内同时获取指令字和操作数，从而提高了执行速度，是数据的吞吐率提高了一倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能

44、完全叠加。（2）采用多总线结构。DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了DSP的运行速度。（3）采用流水线结构。利用这种流水线结构，使得取指、译码、取数、执行、存数等操作可以重叠进行，平均说来多数指令可以在一个机器周期内完成。流水线处理器是有一系列处理电路组成，这些处理电路成为片段或部分。操作数流水经每个片断，即每个片段对操作数进行部分处理，操作数经过所有片段后才能得到最后结果。流水线操作即把一条指令分成一系列步骤来完成，不同步骤完成不同任务，一条指令只有经过所有

45、步骤才能得到结果。这些步骤可以独立进行，这样就可以实现多条指令在不同步骤上的重复运行，从而加快运行速度。流水线分为指令流水线和算术流水线。指令流水线是指取指令和执行指令的不同阶段在流水线上进行；算术流水线是指算术操作的不同阶段在流水线上进行。DAP芯片一般采用流水线方法。由于采用了流水线技术，DAP芯片可以单周期完成乘法累加运算，大幅提高了运算速度，减少了指令执行的时间，从而增强了处理器的处理的能力。处理器可以并行处理24条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。（4）配有专用的硬件乘法-累加器。DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而保证在单指令周期

46、内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。（5）具有特殊的寻址方式和指令。为了满足信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了特殊的寻址方式和指令。如：循环寻址方式可以使得信号处理中常用的卷积、相关、FIR滤波等算法容易地实现，位反转寻址方式使得FFT算法的效率大大提高，FIRS和LMS指令专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。（6）支持并行指令操作。某些指令如装载和存储、存储和加/减、存储和乘法、装载和乘法等可以并行执行，可以充分利用流水线特性，提高了代码执行效率。（7）硬件配置强，具有较强的接口功能。片内除了具有串行口、定时器、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待

47、状态发生器等电路外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，有的还有USB接口、模数转换(ADC)、看门狗定时器（Watchdog）、实时时钟（RTC）、多媒体卡控制器（MMC）等电路，可以方便地构成一个功能完善的嵌入式DSP应用系统。（8）支持多处理器结构。为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。如：TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便。一些其他特殊功能的DSP芯片还具有一些专用的设计结构，这里不一一列出。总之，DSP功能上的特点很大程度上是针对数字信号处理算法的特点，针

48、对性地组成专用的结构，以满足处理的需要。当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。DSP运算的基本类型是乘法和累加(MAC)运算，对于卷积、相关、滤波和FFT基本上都是这一类运算。这样的运算可以用通用机来完成，但受到其成本和结构的限制不可能有很高的实时处理能力。 2.4图像处理中DSP芯片的选择 对图像处理技术而言，由于要处理的数据量大，计算复杂，计算中间结果精度要求高，因此需要选择合适的DSP芯片。DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择DSP芯片是应考虑如下诸多因素：（1）确定选择定点或浮点DSP。数字信号处理算法的数据格式有定点和浮点

49、之分，而数字信号处理系统采用的数据格式决定了他所处理信号的处理精度、动态范围和信噪比，且不同数据格式的易用性和开发难度也不一样。选择定点或浮点DSP，首先要看模数转换时需要的比特数，如果图像的每个像素小于16bit，则用16bit定点DSP即可；如果大于16bit。则需要用浮点DSP来捕捉更大的动态范围。其次考虑算法的复杂度和经济问题。一般来说，浮点DSP芯片的运算精度高，动态范围大，寻址空间大，指令运算能力较强，但功耗大、成本高、体积较大。定点DSP芯片的运算精度与浮点DSP芯片相同（数据位数和浮点芯片相同的情况下），而功耗、成本、体积与浮点DSP芯片相比较小，且易于实现，稳定性好。（2）根

50、据DSP芯片运算速度选择具体芯片。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度一般次用DSP的指令周期、单周期的乘加次数或采用数字信号处理中的基准程序，如用FFT和数字滤波等的执行时间来测评DSP芯片的速度性能。（3）其他考虑因素。在硬件方面还应考虑芯片的外部总线结构、片上存储器结构、DMA功能、串行通信口和芯片间通信能力等因素，在软件方面主要是开发软件的功能性和时间要求等因素。目前，应用最为广泛的是TI（Texas Instruments）公司TMS320C6000系列的数字信号处理器，成为世界上最大的DSP芯片供应商。TMS3

51、20C6000系列是IT公司于1997年推出的高端系列DSP。在该系列的DSP在芯片设计上，最初主要是针对多通道无线通信和有线通信的应用领域，但由于其优异的高速处理性能和出色的对外接口能力，使它也很适用于图像处理领域。 TMS320C6000是基于超长指令字（VLIW）结构的通用DSP系列，具有超长指令字 能力。其内部有8个并行处理单元，8条指令组成一个指令包，一个指令包的总字长为256位。它可在一个时钟周期内并行执行8条指令。这种高速高性能数字信号处理器的工作频率可达200MHz，每秒可完成1.6G次操作。该结构包括定点的C62x、浮点的C67x和新的C64x。C64x和C62x代码兼容，但

52、结构有显著的加强，其初期的工作频率可达750MHz。C67x在C62x8个功能块中的6个上增加了浮点功能，因此其指令集是不同的。将TMS320C6000系列的数字信号处理器用于图像处理系统开发中，势必使技术水平得到进一步的提高。2.5基于DSP的图像处理系统基于DSP的图像处理系统的主要思想是利用C6000这样具有强大运算能力的DSP来满足图像处理技术中运算速度和处理的实时性要求。以DSP为核心不见的图像处理系统具有以下优点：（1）接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备均互相兼容，同这样的系统接口来实现某种功能要比模拟系统与这样的系统接口要容易的多；（2）编程方便。DSP系

53、统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级；（3）稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度及噪音的影响较小，可靠性高；（4）精度高。16位数字系统的精度可达105；（5）可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；（6）集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。图像处理计算量大且实时性要求高，虽然DSP芯片对提高处理速度有一定的优越性，但是对如遥感图像等大型且重要的图像数据却常常不能达到实时处理，因此需要采用多个DSP并行处理方式，进一步提高算法的运行

54、速度，达到真正的实时处理。目前比较采用的是双DSP结构。两片DSP芯片交替进行采集和处理工作，可以实现数据采集和图像压缩的并行操作，降低处理时间.而在一片DSP内，也可将数据缓冲区分为两部分，同时进行数据读取和编码，实现片内并行操作，进一步节省时间。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CCS的全称是Code Composer Studio，它是美国德州仪器公司（Texas Instrument,TI）出品的代码开发和调试套件。TI公司的产品线中有一大块业务是数字信号处理器（DSP）和微处理器（MCU），CCS便是供用户开发和调试DSP和MCU程序的集成

55、开发软件。CCS 提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能够加速开发进程，提高工作效率。CCS 提供了基本的代码生成工具，它们具有一系列的调试、分析能力。代码生成工具奠定了CCS 所提供的开发环境的基础。代码生成工具包括：（1）C 编译器(C compiler)产生汇编语言源代码。（2）汇编器(assembler) 把汇编语言源文件翻译成机器语言目标文件，机器语言格式为公用目标格式（COFF）。（3）连接器(linker) 把多个目标文件组合成单个可执行目标模块。它一边创建可执行模块，一边完成重定位以及决定外部参考。连接器的输入是可重定位的

56、目标文件和目标库文件，有关连接器的细节参见TMS320C54x 最优化C 编译器用户指南和汇编语言工具用户指南。（4）归档器（archiver）允许你把一组文件收集到一个归档文件中。归档器也允许你通过删除、替换、提取或添加文件来调整库，其细节参见TMS320C54x 汇编语言工具用户指南。（5）助记符到代数汇编语言转换公用程序（mnimonic_to_algebricassembly translator utility）把含有助记符指令的汇编语言源文件转换成含有代数指令的汇编语言源文件，其细节参见TMS320C54x汇编语言工具用户指南。（6）运行支持库(run_time_support l

57、ibraries) 它包括C 编译器所支持的ANSI 标准运行支持函数、编译器公用程序函数、浮点运算函数和C 编译器支持的I/O 函数，其细节参见TMS320C54x 最优化C 编译器用户指南。（7）十六进制转换公用程序(hex conversion utility) 它把COFF 目标文件转换成TI-Tagged、ASCII-hex、 Intel、 Motorola-S、或Tektronix 等目标格式，可以把转换好的文件下载到EPROM编程器中，其细节参见TMS320C54x 汇编语言工具用户指南。（8）交叉引用列表器（cross_reference lister）它用目标文件产生参照列表

58、文件，可显示符号及其定义，以及符号所在的源文件，其细节参见TMS320C54x 汇编语言工具用户指南。（9）绝对列表器（absolute lister）它输入目标文件，输出.abs 文件，通过汇编.abs 文件可产生含有绝对地址的列表文件。如果没有绝对列表器，这些操作将需要冗长乏味的手工操作才能完成。数字信号处理器（DSP）作为一种可编程专用芯片，是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具，在语音处理、图像处理等技术领域得到了广泛的应用。但对于算法设计人员来讲，利用汇编语言或C 语言进行DSP 功能开发，具有周期长、效率低的缺点，不利于算法验证和产品的快速开发。TI Code Composer

59、 Studio (CCStudio)是TI eXpressDSPTM实时软件技术的重要组成部分,它可以使开发人员充分应用DSP的强大功能。随着TI的TMS320C5000（C5K）和TMS320C6000（C6K）DSP平台的应用范围不断扩大,已经由其应用于下载视频流的手持因特网接入产品扩展到蜂窝通信网络和光网络的通信基础设施,eXpressDSPTM也便获得了越来越多软件工程师的青睐。eXpressDSP还包含了DSP/BIOS可伸缩内核,TMS320TMDSP标准算法的应用互操作性和可重复使用性以及400多家第三方厂商支持。大部分厂商提供eXpressDSP兼容算法、即插式应用以及种类繁多

60、的硬件配件和咨询服务智能化使软件开发更加轻松快捷。Code Composer Studio 3.1能够使开发人员编制出更多面向高级DSP应用的、紧凑的高性能代码。通过实时接入的DSP开发者之家网站,内置的Update Advisor对最新的工具、驱动程序及其技术进行自动的流线式管理。只要确保代码和功能调用的正确输入,凭借编辑器程序中的Dynamic CodeMaestro技术即可快速生成C和C+编码。TI 的 eXpressDSP 产品市场营销经理 Mike Trujillo 说：通过充分利用 CCStudio 的工具与功能，编程人员能够大大缩短应用开发的时间。使用 CCStudio 生成的高