基于dsp的高速數(shù)字相機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景本課題來(lái)源于“十一五”國(guó)防計(jì)量項(xiàng)目，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷/熱試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試的一部分?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)冷/熱試車(chē)過(guò)程中，需要測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括擺角、擺心、運(yùn)動(dòng)軌跡、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、加速度等。這種情況下，由于環(huán)境十分惡劣，使用一般的測(cè)量方法，比如傳感器測(cè)量，對(duì)設(shè)備的抗干擾能力要求將十分苛刻，而且將測(cè)量設(shè)備放到導(dǎo)彈上不僅會(huì)影響導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)，而且在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，圖像處理越來(lái)越便捷，這就為光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了極為

2、有利的環(huán)境。因?yàn)楣鈱W(xué)測(cè)量是非接觸、高精度的全場(chǎng)測(cè)量，所以相對(duì)于傳感器測(cè)量等其他的測(cè)量技術(shù)而言，光學(xué)測(cè)量技術(shù)是具有簡(jiǎn)單、方便、可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。選用光學(xué)測(cè)量，則只需要在地面上離噴管比較遠(yuǎn)的地方將試車(chē)時(shí)噴管的運(yùn)動(dòng)情況拍攝下來(lái)，對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行分析和處理，利用所做的標(biāo)志點(diǎn)，就可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)是高度精確的，所以只有用高速圖像將變化的過(guò)程記錄下來(lái)，才能夠清楚的分析噴管的運(yùn)動(dòng)情況，為動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的研究提供重要而有效的數(shù)據(jù)。在高速拍攝圖像的時(shí)候，由于圖像數(shù)量大，而且要求實(shí)時(shí)

3、處理，所以就要用高速的圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理。相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)為最高每秒262幀532*516的圖像，即高達(dá)每秒68MB的傳輸量。系統(tǒng)進(jìn)行多相機(jī)處理，而且要求實(shí)時(shí)性。這對(duì)于傳統(tǒng)的圖像采集及處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，處理起來(lái)非常困難。目前一般的圖像處理系統(tǒng)大都基于攝像機(jī)－圖像采集卡－計(jì)算機(jī)這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)閿?shù)字圖像處理信息量和計(jì)算量大，而大多數(shù)數(shù) 據(jù)采集卡基于成本考慮沒(méi)有處理器和大容量的存儲(chǔ)器，絕大部分任務(wù)必須依 靠計(jì)算機(jī)才能勝任[1,2]。但是，對(duì)于本系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)數(shù) 據(jù)

4、量過(guò)大，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而且這種計(jì)算機(jī)參與的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合受到很 大限制，在工業(yè)或軍事等復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用極為不便。所以本文考慮在底層先-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行圖像的預(yù)處理，然后再把處理完的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。實(shí)時(shí)圖像采集和處理技術(shù)的應(yīng)用是多方面的，毫不夸張地說(shuō)，凡是在圖像技術(shù)應(yīng)用的地方都要應(yīng)用高速圖像采集技術(shù)，原因在于實(shí)時(shí)高速圖像處理技術(shù)可以提高圖像處理的速度。但是，這要付出一定的代價(jià)，這種代價(jià)包括設(shè)備上和開(kāi)發(fā)上的代價(jià)[3]。在可用和不可用的地方，代價(jià)問(wèn)題會(huì)成為考慮的重點(diǎn)，而在必須應(yīng)用的地方，考

5、慮的重點(diǎn)則是高速圖像采集系統(tǒng)的性能及可行性。從應(yīng)用高速圖像采集技術(shù)的重要性來(lái)看，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在軍事、工業(yè)自動(dòng)化以及公安的形式偵察等方面，在這些領(lǐng)域強(qiáng)有力的推動(dòng)下，高速圖像采集和處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[4]。DSP應(yīng)用技術(shù)作為一種正在興起的技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用前景。它的應(yīng)用已擴(kuò)展到人們工作、學(xué)習(xí)和生活的各個(gè)方面，在圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別、雷達(dá)跟蹤、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)、故障檢測(cè)等眾多領(lǐng)域中占有了一席之地。DSP芯片在高速信號(hào)處理方面具有速度快、運(yùn)算性能好等優(yōu)點(diǎn)，每秒可以進(jìn)行上百萬(wàn)次運(yùn)算，內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，使

6、得微處理器的并行處理能力大大的增強(qiáng)。DSP的出現(xiàn)，為圖像的快速處理提供了一個(gè)有力的保障[5][6]。本課題設(shè)計(jì)的圖像采集處理系統(tǒng)本著體積小、成本低、處理速度快、編程靈活的要求，能夠解決高速圖像處理的問(wèn)題?，F(xiàn)代的高速圖形采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ISA、PCI等總線的圖形采集卡已能在市場(chǎng)上買(mǎi)到，但是價(jià)格比較昂貴，并且處理功能簡(jiǎn)單速度慢。對(duì)于特殊需要不能很好滿足，往往需要加上后續(xù)處理部分，這給特殊需要的用戶帶來(lái)了不便。采用復(fù)雜可編程芯片（CPLD）及DSP處理芯片構(gòu)成的圖像采集系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，具有通用性好

7、、價(jià)格便宜等特點(diǎn)[7]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，基于DSP和大規(guī)模集成電路的脫機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將達(dá)到更高的水平，無(wú)論在軍事、國(guó)防還是在消費(fèi)電子領(lǐng)域都將具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和廣闊的應(yīng)用前景[8]。本課題所涉及的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理的速度在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上都屬于領(lǐng)先行列，所用核心芯片DSP為T(mén)I公司不久前出品的TMS320C6416T，其功能及處理速度在當(dāng)今應(yīng)該都是首屈一指。所以這個(gè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)成功，可以使我國(guó)軍事應(yīng)用方面的數(shù)字信號(hào)處理緊跟國(guó)際步伐，處于較為先進(jìn)的行列。本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為其提供一個(gè)有價(jià)值的參考。-2-哈

8、爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1DSP技術(shù)的發(fā)展在DSP出現(xiàn)之前，信號(hào)處理一般是通過(guò)主機(jī)完成。由于集成電路制造工藝不斷提高，飛速發(fā)展的DSP為實(shí)時(shí)信號(hào)處理提供了可能。自從美國(guó)Intel公司在70年代推出了世界上第一塊DSP芯片以來(lái)，DSP已經(jīng)出現(xiàn)了好幾代產(chǎn)品和好幾個(gè)系列的產(chǎn)品。