基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)信息，用最短的時(shí)間取得精確處理結(jié)果的器件，它的響應(yīng)時(shí)間要大大短于普通圖像分類器，因而要求硬件內(nèi)部資源可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速分類與通信，以保證分類器邏輯結(jié)構(gòu)不會(huì)偏離既定時(shí)序運(yùn)行[1]。復(fù)雜圖像分類將主要進(jìn)行海量二維數(shù)據(jù)的處理，意味著需要將二維數(shù)據(jù)壓縮或轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量小且便于處理的格式，因此，設(shè)計(jì)基于圖像處理與DSP（數(shù)字信號(hào)處理）的復(fù)雜圖像分類器。1基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器設(shè)計(jì)1.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格來說，DSP是一種微型處理器，圖像處理與DSP的結(jié)合擁有許多詳盡的參考案例，最早用在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程中[2]。隨著DSP數(shù)據(jù)處理性能的不斷提升，它具備了靈活、高速的處理和通信能力，可以提供低耗、快捷的數(shù)據(jù)編程空間，為圖像處理尋找有效的處理路徑。圖1是基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器硬件結(jié)構(gòu)圖，由控制平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)組成?？刂破脚_(tái)由圖像處理器ARM870T[3]、一些控制電路以及通信口組成。計(jì)算平臺(tái)采用雙核心DSP，由兩個(gè)相同的DSP、一個(gè)數(shù)字編碼器和一些計(jì)算電路組成。圖像處理最重要的任務(wù)是進(jìn)行復(fù)雜圖像去噪，為了保證分類器的處理效率和精度，需要將圖像去噪進(jìn)程引入DSP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。由圖1可知，圖像處理器ARM870T與DSP的通信方式是總線通信，前者可以驅(qū)動(dòng)后者進(jìn)行初始化、計(jì)算方案控制以及數(shù)據(jù)通信?？刂破脚_(tái)與計(jì)算平臺(tái)的器件可以互相控制，數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)互傳。基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器以圖像處理器ARM870T為主機(jī)，兩個(gè)DSP輔助主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)。計(jì)算平臺(tái)采用數(shù)字編碼器連接兩個(gè)DSP，同時(shí)溝通圖像處理的去噪進(jìn)程。兩個(gè)DSP還可以通過圖像處理器ARM870T提供的主機(jī)接口進(jìn)行連接，與數(shù)字編碼器構(gòu)成一種環(huán)狀通信結(jié)構(gòu)[4]，計(jì)算平臺(tái)所有的數(shù)據(jù)都可通過任意一個(gè)器件的存儲(chǔ)接口進(jìn)行采集，代表復(fù)雜圖像分類器具有并行與串行兩種圖像通信模式。（1）通過平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法區(qū)分圖像處理與DSP功能特點(diǎn)，弱化分類器實(shí)現(xiàn)難度；（2）具有豐富的通信接口，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部器件的簡易通信，硬件資源豐富，拓展能力強(qiáng)；（3）圖像處理為主機(jī)端，可對內(nèi)、外部器件進(jìn)行統(tǒng)一控制和分散管理，使分類器具有獨(dú)立計(jì)算的能力；（4）通過數(shù)字編碼器輔助進(jìn)行邏輯控制，所有器件構(gòu)成互通結(jié)構(gòu)[5]，增強(qiáng)分類器靈活處理能力；（5）兩個(gè)DSP同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜圖像去噪與分類計(jì)算，可采取模糊背景圖像處理；（6）主從結(jié)構(gòu)模式有利于數(shù)據(jù)通信與控制。1.2硬件資源設(shè)計(jì)控制平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)的硬件資源豐富，為基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器的基礎(chǔ)性能做出了貢獻(xiàn)。分類器接口資源設(shè)計(jì)時(shí)通用輸入/輸出口選擇1個(gè)并行口，1個(gè)串行口，接入雙徑模擬數(shù)據(jù)。顯示屏接口4線制[6]電容式顯示屏接入，屏幕大小為3.5寸以上。存儲(chǔ)接口為1個(gè)串行口、1個(gè)總線口。圖像輸入接口為1個(gè)串行口，支持單徑圖像接入圖像處理器。分類器控制資源中的圖像處理器存儲(chǔ)資源的基本存儲(chǔ)為150MB、快存存儲(chǔ)5MB；選擇ARM870T，主頻450MHz，最大調(diào)制頻率550MHz的圖像處理器。分類器計(jì)算資源設(shè)計(jì)中的DSP是主頻1.5GHz，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器3MB；DSP存儲(chǔ)資源是多媒體存儲(chǔ)5MB，數(shù)字內(nèi)存512MB；拓展資源為3個(gè)30針拓展接口[7]，有82個(gè)管腳可與開發(fā)板互通數(shù)據(jù)。從接口、資源和計(jì)算資源中可以得出，整個(gè)復(fù)雜圖像分類器中接口資源是最多的，對復(fù)雜圖像的顯示、處理、數(shù)據(jù)通信、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算、分類等提供了強(qiáng)有力的支持。控制平臺(tái)采用嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜圖像分類器的數(shù)據(jù)流控制。圖像處理器ARM870T的最大調(diào)制頻率為550MHz，不管是傳送控制指令，還是收發(fā)復(fù)雜圖像數(shù)據(jù)，都能取得優(yōu)異的控制成效。對于計(jì)算平臺(tái)雙核心DSP結(jié)構(gòu)，其具備獨(dú)立的資源存儲(chǔ)模塊，數(shù)字編碼器輔助DSP執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。1.3復(fù)雜圖像分類流程設(shè)計(jì)從資源劃分與硬件結(jié)構(gòu)上看，計(jì)算平臺(tái)其實(shí)是控制平臺(tái)的外接單元，作用是提供高速、靈活的復(fù)雜圖像分類進(jìn)程，而復(fù)雜圖像分類器中進(jìn)行的計(jì)算任務(wù)全部是由圖像處理器ARM870T、DSP和數(shù)字編碼器共同進(jìn)行的[8]。通過圖像處理器ARM870T接入復(fù)雜圖像，存儲(chǔ)圖像模擬數(shù)據(jù)并進(jìn)行去噪計(jì)算，將計(jì)算指令輸送到數(shù)字編碼器，由數(shù)字編碼器將圖像模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過DSP進(jìn)行復(fù)雜圖像分類。圖2是基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器分類流程。由于復(fù)雜圖像不像普通圖像可以準(zhǔn)確找出圖像像素中心點(diǎn)，因此在分類過程中將初始點(diǎn)指定為像素點(diǎn)i，設(shè)定圖像處理界限，再確定圖像虛擬中心點(diǎn)。設(shè)定一個(gè)復(fù)雜圖像分類處理窗口，從任意圖像位置j點(diǎn)開始處理，如果j點(diǎn)不在處理窗口之內(nèi)，循環(huán)進(jìn)行i=i+1指令，直到i點(diǎn)在處理窗口之內(nèi)。將處于在處理窗口之內(nèi)的j點(diǎn)與j+1點(diǎn)進(jìn)行相似度計(jì)算，聚合計(jì)算得到的所有相似度數(shù)據(jù)，分離開復(fù)雜圖像中重疊的像素點(diǎn)，對像素點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。聚合像素點(diǎn)估計(jì)值可得到分類結(jié)果。2復(fù)雜圖像分類器中圖像處理在DSP上的實(shí)現(xiàn)圖像處理器ARM870T控制指令在DSP中的實(shí)現(xiàn)依靠C語言進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試，需要根據(jù)DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更新控制指令格式[9]，將復(fù)雜圖像控制指令輸送到DSP之后，通過圖像處理軟件平滑處理窗口邊界，拓展圖像邊界處的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，令圖像處理控制指令可以為DSP所用。在圖2的計(jì)算過程中，每進(jìn)行一次像素點(diǎn)估計(jì)，便會(huì)得到一個(gè)m行m列的矩形估計(jì)窗，如圖3所示。所有估計(jì)窗重疊在一起達(dá)到一定數(shù)量將產(chǎn)生聚合指令，聚合后的圖像分辨率應(yīng)與去噪后的復(fù)雜圖像分辨率相同。初始化聚合圖像，得到一個(gè)像素點(diǎn)平均估計(jì)值，將這個(gè)估計(jì)值展開根據(jù)估計(jì)塊大小賦予像素點(diǎn)估計(jì)值。當(dāng)所有像素點(diǎn)都得到惟一的估計(jì)值，修剪處理窗口邊界的拓展數(shù)據(jù)，聚合后輸出分類結(jié)果。3實(shí)驗(yàn)測試如果一個(gè)圖像分類器的魯棒性強(qiáng)，那么它就可以對抗圖像野值點(diǎn)（嚴(yán)重偏離圖像像素平均值的像素點(diǎn)）帶來的噪聲干擾。可見，魯棒性對于分類器，尤其是進(jìn)行復(fù)雜圖像處理的分類器極其重要。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了兩個(gè)魯棒性測試數(shù)據(jù)集合，圖像像素平均值分別是（0，0）和（3，0），偏離容錯(cuò)區(qū)間是（0.5，0.5）和（1，0.5）。在第一個(gè)數(shù)據(jù)集合中添加兩個(gè)野值點(diǎn)，分別是（-15，80）和（30，-60）。在第二個(gè)數(shù)據(jù)集合中添加三個(gè)野值點(diǎn)，分別是（100，120），（75，-180）和（-80，-50）。編寫C語言程序，當(dāng)野值點(diǎn)被分類到任何一個(gè)復(fù)雜圖像屬性中，輸出一個(gè)“NO”值。用三種復(fù)雜圖像分類器進(jìn)行10次分類，統(tǒng)計(jì)“NO”值數(shù)量，如表1所示。表1中，本文設(shè)計(jì)的基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器對野值點(diǎn)的正確劃分能力明顯優(yōu)于其他兩種復(fù)雜圖像分類器，可以真實(shí)展示復(fù)雜圖像內(nèi)在屬性，擁有有效的分類機(jī)制，分類結(jié)果純正，具備局部魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。重新編寫C語言程序，用來測試復(fù)雜圖像分類器的總體魯棒性與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致[10]。當(dāng)分類器將任何一個(gè)像素點(diǎn)分類到不相容的圖像屬性中，輸出一個(gè)“NO”值。下面在相同條件下進(jìn)行10次測試，“NO”值數(shù)量統(tǒng)計(jì)表如表2所示。表2中，時(shí)域抖動(dòng)分類器和模糊神經(jīng)分類器依舊無法超越本文分類的魯棒性。4結(jié)論本文設(shè)計(jì)基于圖像處理與DSP的復(fù)雜圖像分類器，實(shí)現(xiàn)了圖像處理在DSP上的控制。分類器以圖像處理器ARM870T為主機(jī)，兩個(gè)DSP輔助主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)，具有并行與串行兩種圖像通信模式。實(shí)驗(yàn)為復(fù)雜圖像分類器魯棒性測試準(zhǔn)備了數(shù)據(jù)集合，在不同野值點(diǎn)的條件下進(jìn)行測試，結(jié)果顯示本文分類器具備魯棒性強(qiáng)的性能優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)[1]于洪松，韓廣良，孫海江，等.基于CPCI總線的FPGA+DSP架構(gòu)通用視頻圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2022，30（2）：333?339.[2]雷選華，閆森，馬治國，等.基于EMIF接口的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2022，29（3）：30?33.[3]曾曉娟.基于圖像的捕捉和展示雙軸陀螺儀運(yùn)動(dòng)的處理系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制DSP[J].電腦與技術(shù)，2022，24（5）：14?18.[4]曾志華，馬小雨.FPGA及DSP技術(shù)下的實(shí)況視頻圖像處理多種算法探究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，39（16）：88?90.[5]才興.探究基于DSP的霧霾天氣圖像處理技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2022，12（9）：90.[6]寧賽男，朱明，孫宏海，等.采用SRIO協(xié)議實(shí)現(xiàn)多DSP實(shí)時(shí)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)傳輸[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2022，50（22）：73?78.[7]靖固，楊華宇.基于FPGA+DSP實(shí)時(shí)圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，21（4）：40?44.[8]李易難，