摘  要： 采用TI公司的TMS320C5402和DaVinci系列TMS320DM6437雙DSP芯片為主要處理器，構(gòu)建了一個基于DSP/BIOS的視頻圖像采集處理平臺,。從功能的角度將系統(tǒng)劃分為視頻采集任務,、視頻算法處理任務、數(shù)據(jù)通信任務和人機交互任務4個相對獨立的線程,，這4個線程在實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS不同優(yōu)先級的調(diào)度下有序地工作,。測試結(jié)果表明,，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定,實時性較高。
關(guān)鍵詞： DSP/BIOS,；圖像處理平臺,；線程

    隨著信息社會的發(fā)展，視頻圖像采集處理系統(tǒng)在遠程控制,、智慧城市,、安防監(jiān)控等領(lǐng)域應用越來越廣泛。實時視頻圖像信息的獲取對于系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)至關(guān)重要,，而且視頻圖像數(shù)據(jù)流量大,，帶寬要求高。嵌入式實時處理系統(tǒng)具有實時性高,、體積小,、成本低、算法移植簡單等特點[1],。這類嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)以DSP作為處理器的發(fā)展方向,，而DSP因其特殊的數(shù)字信號處理能力(集成MAC、FFT等模塊)能夠有針對性地滿足視頻圖像處理的需求,。
    本文以DaVinci系列的視頻圖像處理器TMS320DM6437作為該軟件平臺的硬件支撐,，采用TI自帶實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS，通過對多任務劃分,、調(diào)度,，設計上下位機，將圖像信息實時傳到PC,通過PC端控制DSP平臺來構(gòu)建圖像采集處理平臺,最終移植常見圖像處理算法對整個系統(tǒng)進行功能測試與結(jié)果分析,。
1 系統(tǒng)開發(fā)平臺簡介
1.1 硬件開發(fā)平臺
    本文所設計的實時視頻圖像采集處理平臺主要在CCD攝像頭,、DEC6437開發(fā)板、仿真器,、顯示器,、USB轉(zhuǎn)串口線和PC等搭建的硬件平臺上，仿真器硬件設備是SEED-XDS510PLUS,，由于此平臺的RTOS調(diào)試，算法移植都是在集成開發(fā)軟件CCS 3.3下設計完成的,，CCS需要在PC中運行,，并且調(diào)試UART時，需要在PC上觀察上位機軟件接收和發(fā)送狀態(tài)[2],。
    TMS320DM6437是TI公司的一款DaVinci系列處理器,，是專為各種視頻圖像處理應用而開發(fā)的獨立模塊，能夠支持高解析度的視頻編碼,，同時其性價比很高,。
1.2 軟件開發(fā)平臺
    在圖像采集處理系統(tǒng)的設計過程中采用了TI開發(fā)在CCS中集成的實時操作系統(tǒng) DSP/BIOS,。
　 BIOS是一個可擴充、可裁剪的RTOS,，主要可以分成分片實時內(nèi)核,、實時評測工具(RTDX)和芯片自帶庫(CSL)三部分。DSP/BIOS內(nèi)包括常見嵌入式通用庫和API,。DSP/BIOS即時庫包括搶占式多線程調(diào)度,、任務通信及同步、中斷優(yōu)先級配置,、I/O服務和存儲器內(nèi)存管理,。DSP/BIOS根據(jù)功能可分為4個主要模塊，DSP/BIOS確保硬件中斷(HWI),、軟件中斷(SWI),、任務(TSK)和后臺線程(IDL)4種線程運行在線程間,允許通信和同步，并且使能高優(yōu)先級線程搶占低優(yōu)先級線程[3],。
2 實時視頻圖像采集處理平臺的總體架構(gòu)設計
    本文采用雙DSP芯片,，其中TMS320C5402為控制器，TMS320DM6437為算法處理器,，以CCS 3.3為軟件開發(fā)背景,，完成了基于DSP/BIOS的圖像采集處理平臺的軟件設計。TMS320C5402作為控制器,，主要負責人機交互界面的控制,它與TMS320DM6437通過多通道緩沖串口通信,，控制器主要對鍵盤數(shù)據(jù)的讀入和LCD數(shù)據(jù)的輸出。同時系統(tǒng)還添加了遠程控制模塊,，通過PC發(fā)送控制指令調(diào)度DM6437處理器,，能夠完成切換算法，調(diào)停當前狀態(tài)等功能,，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,。

3 基于DSP/BIOS的系統(tǒng)軟件設計
    視頻圖像采集處理軟件平臺對任務復雜、時序要求苛刻,，采用基于DSP/BIOS的實時調(diào)度內(nèi)核事先配置線程優(yōu)先級以及線程觸發(fā),、掛起、阻塞等相應條件,，軟件流程如圖2所示,。DSP/BIOS內(nèi)核調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心。BIOS首先需要初始化DSP,，硬件上電復位LOAD程序入口地址,，然后需要調(diào)用BIOS_Init對BIOS初始化,仍然要在main( )函數(shù)中對片內(nèi)外設等常見DSP配置初始化，這時不能對SWI、TSK等線程操作,，因為還沒啟動BIOS,仍沒有起用調(diào)度組件,，調(diào)用BIOS_start完成對BIOS的啟動就可進入IDL_loop空閑循環(huán)，等待HWI,、SWI,、TSK等線程的就緒[4]。

    本系統(tǒng)硬件中斷(HWI)有兩個:一是DM6437和C5402通信過程所用的McBSP,，鍵盤數(shù)據(jù)讀入時觸發(fā)中斷,；另一個是UART中斷，PC上位機有控制指令發(fā)送時就會觸發(fā)UART中斷,，進入UART中斷服務程序?qū)⒕途wUART接收數(shù)據(jù)軟中斷,，第一個中斷服務程序中和第二個中斷觸發(fā)的軟中斷中都將就緒TSK1,讀取控制指令，選定算法模式,，記錄最終選擇的狀態(tài),，并對Mail_box賦新值。因為多個算法任務都處于掛起狀態(tài),，一旦mail_box對應自身之前的Pend值,，對應的算法任務將會立即就緒，如果當前線程的優(yōu)先級都小于對應算法優(yōu)先級,，算法線程將會立即執(zhí)行,。
    視頻圖像處理算法完成后，還可以實現(xiàn)對圖像的濾波,、LCD顯示關(guān)鍵信息,。線程處理完成后視頻圖像輸出任務就緒,還原視頻信號，回放處理后的視頻[5],。
4 常見視頻圖像處理算法的移植
    為了測試基于DSP/BIOS的多任務視頻圖像處理平臺,，移植幾種算法來驗證處理效果。軟件平臺上常見算法的移植有圖像增強算法移植,、圖像閾值算法移植,、邊沿檢測算法移植和圖像濾波算法移植等。
    如圖2所示,，圖像增強算法移植包括任務2執(zhí)行的單直方圖算法移植和任務3執(zhí)行的雙直方圖算法移植,。任務3在任務2的基礎(chǔ)上增添了對整幅圖像提取最佳閾值提取(OTSU)，以此閾值將原圖像劃分為兩個子圖,，分別均衡[6],。
    邊沿檢測算法移植使用任務5的圖像邊沿檢測算法。相對于其他任務,，圖像的邊沿檢測任務為獨立任務，可用來檢測任務之間的切換實時性。
    圖像濾波算法移植采用了任務7的滑動平均濾波算法,。任務7作為非必需任務,，可根據(jù)按鍵選擇是否添加在任務1~任務6后。
5 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析
5.1 PC與TMS320DM6437通信結(jié)果
　PC與TMS320DM6437串口通信采用波特率為19.2 kHz,，傳輸數(shù)據(jù)格式為1 bit停止位,，8 bit數(shù)據(jù)位，無校驗位,。在PC接收數(shù)據(jù)時,，接收200個8 bit數(shù)據(jù)，均與TMS320DM6437內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)相同,，可見傳輸過程誤碼率極低,。如果PC發(fā)送數(shù)據(jù)，TMS320DM6437接收成功,，LCD會相應顯示,，同時處理器切換不同算法。LCD顯示串口接收成功界面顯示如圖3所示,，上位機界面如圖4所示,。

5.2 多線程通信及同步結(jié)果
    本系統(tǒng)中多線程最高優(yōu)先級為UART接收和McBSP中斷，其次為軟中斷UART數(shù)據(jù)讀入和UART發(fā)送,，最后為任務,，任務中劃分為多個算法的任務，其相互間通過按鍵或PC指令切換,其線程間根據(jù)Mail_box(n)通信,，其同步是根據(jù)SEM(m),，在DSP/BIOS調(diào)試界面可見多線程間切換示意圖，如圖5所示,，可見程序運行正常,。

5.3 視頻圖像處理效果及人機顯示
    本視頻圖像采集處理平臺軟件上移植了多種視頻圖像處理算法，以下將演示每一個圖像處理算法在本系統(tǒng)平臺所表現(xiàn)的效果,，如圖6~圖8所示,。

    圖6(a)中最左邊的一幅圖像為原始圖像，中間及右邊中的圖像為經(jīng)過單直方圖處理后的結(jié)果,，中間和右邊的圖像區(qū)別為均衡系數(shù)不同,，可見經(jīng)過單直方圖增強后前景和背景區(qū)別明顯增強。圖6(b)中左邊的一幅圖像為原始圖像,，中間及右邊的圖像為經(jīng)過雙直方圖處理的結(jié)果,，中間和右邊的圖像區(qū)別為雙直方圖中的均衡系數(shù)不同?？梢?經(jīng)過雙直方圖增強后,不僅前景和背景區(qū)別明顯增強,，而且保持原背景亮度信息。
    圖7(a)中圖像信息依次分別為原始圖像、二值化后圖像,。系統(tǒng)采用最佳閾值提取算法,，提取合適閾值。由圖可見,二值化后的圖像有噪點,，由于閾值上下有波動或光線原因,，因此采用3×3滑動平均濾波，對局部噪聲濾除,，圖7(b)即為濾波后的圖像,，可見噪點明顯降低，圖像連續(xù)性較好,。
    如圖8所示,，本系統(tǒng)對邊沿檢測算法處理時采用對整幀圖像處理，圖8(a)為原始圖像,，圖8(b)為拉普拉斯邊沿檢測結(jié)果,，可見系統(tǒng)已經(jīng)檢測到圖像的邊沿。
    該軟件平臺實時性相對高,，在視頻圖像播放處理數(shù)據(jù)時不會出現(xiàn)明顯的延時和卡頓,；在用鍵盤或PC發(fā)送控制指令切換算法時同步效果很好，無可視延時,。多任務的調(diào)度和同步不容易出現(xiàn)死循環(huán),，當改變調(diào)度次序時也能夠繼續(xù)正常工作。人機交互界面LCD顯示能夠隨著平臺狀態(tài)變化及時顯示提醒,。TMS320DM6437通過UART向PC發(fā)送數(shù)據(jù)時誤碼率低,。平臺上處理的常見圖像處理算法均能夠獲得良好的效果，可見該視頻圖像采集處理平臺軟件性能總體上優(yōu)異,。
參考文獻
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