數字圖像穩定是圖像序列處理中得一項重要的前處理步驟。早期的方法是對攝像機本身的機械和光路進行穩定，隨著數字技術的發展，可以對采集到的圖像進行處理，使圖像在顯示器上能夠穩定地顯示，同時也為了更好地為后續處理提供穩定的圖像序列，如圖像拼接、圖像增強、信息融合、目標追蹤、目標識別等各種圖像處理技術的綜合運用。在實現實時圖像穩定系統方面，由于圖像計算量大，必須選用高性能數字信號處理器。目前實現實時圖像處理的主要方式有4種：1)基于通用PC機；2)基于通用DSP；3)基于專用或多DSP；4)基于可編程FPGA或DSP+FPG。在通用PC機上可方便地進行各種圖像算法的仿真試驗，但是這種方法只能在實驗室進行，難以現場應用。其中基于通用DSP這種方案的優點在于，價格便宜、資料豐富、開發相對簡單，并且處理速度也隨著器件性能提高，已經能滿足圖像穩定所需要的實時處理，形成脫機系統。針對實時數字圖像穩定處理，介紹一種采用高性能系列的DSP C6416，開發出一套數字圖像處理系統。該系統采用雙口RAM作為高速數據輸入輸出緩沖通道，由CPLD進行系統的邏輯控制，DSP的EDMA完成數據的片內片外傳送，通過配置和軟件優化，最終完成了系統的高度實時運行。

1       穩像方法和步驟

         數字圖像穩定處理過程主要由3部分組成：運動矢量估計模塊(ME)，運動矢量補償模塊(MC)和圖像序列合成模塊(IC)。通過ME模塊找到幀間運動偏移，由MC模塊進行圖像拼接完成運動補償，最后經IC模塊進行圖像剪裁輸出。

         運動矢量估計模塊中，通過比較當前圖像和參考圖像中相同的部分，找到兩幀圖像問的偏移量，即運動矢量，廣泛應用于視頻處理與編碼，如圖1所示。

         圖1中用實線所畫的方框表示匹配塊，虛線所畫的方框表示搜索窗。假定第k幀為當前幀，為了計算第k幀相對于第k-n幀的運動偏移量。在第k-n幀的中心位置選擇一個N×N像素大小的匹配塊，同時在第k幀上選擇一個M×M(M>N)大小的搜索窗，搜索窗的中心位置與第k幀的匹配塊中心位置重合，通過用式(1)比較兩幅圖像間所有相應像素間絕對差的累和VSAD(Sum of Absolute Difference)，在搜索窗內找出和匹配塊圖像最匹配的位置，即VSAD最小值的位置。該匹配位置坐標和搜索窗中心點坐標的相對位置(△x，△y)，即為兩幀圖像的偏移運動矢量。

        式中，分別為參考圖像和當前圖像(i，j)位置的像素強度。

        獲得的圖像序列之間的運動矢量參數后，糾正當前圖像，使其恢復到正確的位置，獲得相對穩定的圖像序列，然后送到相應的顯示裝置或存儲介質。

2       穩像系統的方案設計

        TMS320C6416是TI公司最新推出的高性能DSP，該器件擁有8個并行處理單元，工作頻率為600 Hz，最高處理速度可達4800M／s(MFLOPS)。采用類似RISC的超常指令字(VLIW)結構，在最好的情況下，TMS320 C64X系列的DSP在一個指令周期可同時執行8條32位有效指令，因此可以達到極高的處理性能。

2．1 系統組成
 

         為適合高速圖像采集與處理，采用CPLD+DSP的應用方案，由于DSP只專注數據處、理，但缺乏控制能力，利用高速邏輯器件CPLD配合DSP完成實時任務控制與處理，是系統的最佳組合。經過比較，選用XC95144XL作為CPLD控制器，主處理DSP TMS320C6416系列器件進行圖像處理計算。該系統結構如圖2所示。

         該系統輸入輸出都為標準模擬視頻信號，設計采集圖像大小為512×512像素，速度為30～60幀／s的實時采集。攝像頭輸入模擬視頻信號后，經過SAA7110進行A／D轉換和信號分離后，進入輸入端高速數據緩沖區。輸出端緩存中的數據，通過BT121進行D／A轉換后，合成為標準模擬視頻信號，可直接送監視器顯示。用邏輯器件CPLD控制系統的工作時序。為適應高速數據吞吐，輸入輸出緩沖存儲器選用了雙端口RAM。

2．2 CPLD控制

         系統的邏輯控制器是100引腳的XC95144，其主要工作是控制輸入／輸出幀存，以便DSP將存在其中的處理好的圖像數據讀出，并在同步控制信號和消隱信號的協同下形成標準視頻輸出信號，送到監視器顯示。圖3給出了邏輯控制的原理框圖。

          CPLD的邏輯控制的工作包括：1)根據SAA7110分離出的同步信號，經過邏輯判斷后，給出BT121需要的同步信號；2)由于SAA7110輸出的LLC2時鐘與采樣時鐘、輸出時鐘是同步的，因而以LLC2作為采樣數據存儲和同步控制子系統的時鐘，CPLD內部計數器進行數據采樣計數，產生偏移地址，以控制輸入／輸出緩沖讀寫數據，使用LLC2時鐘也避免了使用外部時鐘需要解決的信號相互間的同步和鎖相：3)計數器產生控制中斷，通知DSP啟動數據讀／寫EDMA通道和進行數據轉移；4)低位地址A0和A1進行譯碼產生Bank Enable信號，送到雙口RAM以進行數據位選通。由于輸入／輸出緩存具有對稱的硬件結構，所以XC95144在進行地址計數時，產生兩套相同Bank信號和地址偏移，供輸入和輸出雙口RA-M。

3       數字圖像數據的采集與輸出

3．1 數據采集

        系統的設計視頻信號采集能力是從CCD獲得模擬視頻信號中采集到512×512大小的數字圖像，并通過幀緩存——異步靜態雙端口存儲器(dual-port RAM)，經DSP的EDMA通道送到SDRAM中。采集模塊的結構如圖4所示。

       SAA7110的初始化通過I2C總線對其內部控制寄存器進行相應設置而實現，該系統將DSP上的McBSP(多通道緩沖串口)的兩個引腳與SCL和SDA相連，將McBSP的引腳配置成通用I／O口，這樣就能通過編寫DSP程序，在上電時通過DSP的多通道緩沖串口配置SAA7110。

3．2 數據位拼接

        由于SAA7110和BT121都是8 bit精度器件，而雙口RAM的每邊都是36 bit精度的存儲器，但雙口RAM的4個BANK通道，每個BANK各9 bit，共36 bit數據，可通過BEO～BE3信號選通，因此只有將SAA7110和BT121的8 bit數據進行拼接后才能送到雙口RAM。由于雙口RAM的每個BANK都是9 bit，SAA7110和BT121的8 bit數據總線接在每個BANK的低8 bit，忽略最高位第9位，直接地，形成8 bit的數據精度，完成不同數據精度位器件間的握手。

3．3 數據輸出

         處理完的圖像數據，經D/A轉換器BT121進行數模轉換后，送到顯示器，這個過程必須在嚴格的同步時鐘控制下進行。SAA7110給出的同步信號包括水平同步、垂直同步、奇偶場和采樣時鐘，而BT121的同步信號只有空白信號(BLANK)、合成信號(SYNC)和轉換時鐘。當BLANK信號為1時，BT121才進行D/A轉換，SYNC信號為1時才打開D/A通道。所以，2個器件間的同步信號不能直接握手，必須經過一定的邏輯轉換。S-AA7110的同步信號引腳接到CPLD，由CPLD經過一定的邏輯運算后，送出符合BT121同步要求的信號。

4       系統工作方法和優化配置

4．1 系統工作方式

        系統上電后，DSP從Flash讀入1 K大小的程序數據，該引導程序繼續將其他主程序調入SDRAM中，在以后的運行過程中，DSP自動將運行所需程序從SDRAM裝入片內存儲器。同時89C5l單片機對SAA7110進行初始化。當DSP準備就緒后，通知CPLD開始控制向輸入端雙端口RAM寫入由S-AA7110采集的視頻圖像數據。輸入緩存的存儲空間分為奇、偶場空間，寫滿一場后向DSP發送中斷信號，DSP收到該中斷信號后以EDMA方式將數據讀入SDRAM等待處理。在DSP讀走和處理該部分數據時，CPLD繼續控制向輸入緩存的另一部分空間寫入下一場采樣數據。當DSP處理完上一場數據后，等待下一場視頻數據的寫滿信號。采用雙端口RAM作為系統的輸入輸出緩存，有效地避免了讀寫訪問沖突和系統總線的沖突，極大提高了系統的執行效率。

4．2 配置L2 Cache和Memory的比例

        由于片內RAM與CPU工作在同一時鐘頻率，比片外RAM性能高得多。C64的兩級緩存機構工作特點為：片內分為兩級存儲結構(L1和L2)，L1不能設置為映射寄存器。L1又分為L1P和L1D，L1D指的是第1級的數據緩沖，為128 K字節的兩路成組相連結構緩存。L2是第2級片內緩存，大小為l 024 K(可同時存儲程序和數據)。L1P和L1D都可以對L2進行存取，當L1D或L1P中沒有運行所需要的數據時(即產生cache miss時)，首先向L2發出申請，當L2中也發生cache miss時，將申請轉發給EDMA。申請的轉發將嚴重影響系統運行效率。所以根據算法數據流特性配置好兩極緩存的大小，預先將待處理的數據讀入，降低cache miss的次數以提高系統實時性。

        以塊匹配運動估計為例，匹配塊32×32 pixel=1 K字節，加上旋轉角度范圍：±7°，步長為O．2°，共產生70個旋轉1 K的小圖像；搜索窗為96×96 pixel=9 K字節，共10 K字節，所有待進行運動估計的圖像數據為80 K，完全可以讀入L2Cache。這些數據可以用ODMA將數據全部讀入片內L2。而這些數據是從一幀完整的圖像中“扣出”的，所以搬移方式采用2D-1D的方式，QDMA支持這種高效的數據傳輸能方法。

4．3 基于EDMA加快數據傳輸

        當使用雙緩沖結構的時候，EDMA是另一種去除多余CPU開銷的重要機制。利用EDMA，可實現片內存儲器(L2SRAM)、片內外設，以及外部空間之間的數據轉移。合理利用EDMA，還可以提高程序性能，由于圖像處理中的數據對象通常以8 bit為一單位，利用DMA的數據交織功能把來自圖像不同區域的4個數據并接為一個32位數據，大幅度地提高效率。

         系統采用“乒乓”結構的數據交換，所以奇場和偶場的起始信號觸發EDMA通道中斷，雖然傳送數據的源地址相同，但目的地址卻不同。而C64的EDMA控制器提供了一種稱為連接(linking)的傳輸機制，可以將不同的傳輸參數組連接起來，組成一個傳輸鏈，為同一通道服務。在鏈中，一個傳輸結束后，自動裝載下一次傳輸所需要的事件參數。根據這個特點，為每個EDMA通道配置兩組參數，用連接的方式完成“乒乓”結構的數據讀寫。

5       算法程序優化

        由于圖像處理的數據量大，數據處理相關性高，并且具有嚴格的幀、場時間限制，因此如何針對圖像處理的特點對DSP進行優化編程，充分發揮其性能就成為提高整個系統性能的關鍵。主要在下面方面的優化方法提高C代碼的性能：

1)使用內聯函數 C6000編譯器提供的內聯函數(intrinsic functions)。內聯函數是直接映射為內聯的C6000指令的特殊函數，可以快速優化C代碼。

2)使用字訪問短型數據 C6000的內聯函數中的某些指令，如_add2()是對存儲在32位寄存器的高16位和低16位字段進行操作。當對一連串短型數據進行操作時，可使用字(整型)一次訪問2個短型數據，減少對內存的訪問次數。

3)人工干預軟件流水 流水是用來安排循環指令，并使這個循環的多次疊代并行執行的一種技術，通過線性匯編指令，并行處理數據處理指令。

         通過以上3種方法優化，程序執行效率提高70％以上，表1中列出各種算法速度做50次運算的平均值。

         實際上，在程序優化方面，還有很多的工作可作。另外，本實驗室前期開發的基于TMS320C6711型DSP的圖像開發板，工作頻率在200 MHz，優化后對256×256大小的圖像進行10～13幀／s的圖像穩定，尚不能達到實時。而基于TMS320C6416的處理板，不優化就能達到18～22幀／s的處理速度，經過簡單優化后，如提前進行圖像塊旋轉并讀入片內，展開循環，就能達到30幀／s的實時處理。現已移植的算法包括：基于快速搜索的塊匹配法、灰度級分層法、邊緣匹配法，各種算法都完全能夠進行實時運行。

6       結論

         該系統通過選用CPLD+DSP，既能保證系統的執行速度，也能保證可靠的邏輯控制。該系統實現一個比較完整的圖像采集、傳輸、處理和送顯的硬件實驗系統，由CPLD對系統的運行邏輯進行控制，通過對編寫在DSP上運行的圖像處理程序進行優化后，能夠實現大小為512×512像素圖像的實時穩定。該穩像系統作為一個獨立的圖像處理系統，可完成多方面的圖像處理功能，也為其他基于DSP的圖像處理平臺的設計提供了參考。

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