基于達芬奇平臺的微光視頻處理系統(tǒng)的設計

摘要：深入研究和分析微光視頻增強技術，為了解決微光視頻的實時處理能力，結合迭芬奇平臺的技術特性設計基于TMS320DM6446平臺的微光視頻實時處理系統(tǒng)的圖像增強系統(tǒng)，實現(xiàn)微光視頻系統(tǒng)的實時采集、實時處理和實時顯示模塊，最后通過測試處理結果和實時性兩方面進行測試表明系統(tǒng)設計滿足要求。
關鍵詞：達芬奇平臺；微光視頻；數(shù)據(jù)采集；嵌入式

O 引言
    微光視頻系統(tǒng)在夜視技術上用途越來越廣泛，然而由于目標照度很低、目標和背景反射系數(shù)很接近、觀察環(huán)境不好等惡劣的條件下，得到的微光視頻圖像總是得不到滿意的效果。我國現(xiàn)有的硬件生產(chǎn)能力的條件下，微光像增強器還達不到應用化的效果，但是實時圖像處理技術能迅速提高微光系統(tǒng)的圖像質量，增加微光視頻系統(tǒng)的視距，因此把實時圖像處理技術與像增強技術相結合成為縮短國內外微光視頻系統(tǒng)差距的一個重要發(fā)展方向，本文在達芬奇平臺TMS320DM6446上實現(xiàn)了微光視頻的實時處理系統(tǒng)，對我國的微光視頻系統(tǒng)設計有重要的參考價值。

1 微光視頻增強技術
    微光視頻最顯著的表現(xiàn)特征是在圖像畫面上疊加有明顯的隨機閃爍噪聲，通過對微光視頻的特征和噪聲進行分析，可以從增大微光視頻的對比度和減少微光視頻的噪聲兩方面來設計微光視頻增強系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的特點，需要采用簡單有效的處理算法。直方圖均衡化是增大圖像對比度的經(jīng)典算法，而且算法簡單、處理效果較好；高斯平滑算法能有效地去除圖像的高頻分量而保留低頻分量，這兩種算法與嵌入式處理平臺結合使用，可以獲得很好的效果。本文在設計中使用軟件的設計方法來達到圖象增強技術。

2 基于達芬奇平臺的微光視頻系統(tǒng)
    微光視頻系統(tǒng)的特點是在實時采集和實時顯示的基礎上，實現(xiàn)微光視頻的增強處理和去噪處理，達到實時處理的要求，因此需要較強的實時處理的和數(shù)據(jù)處理能力，這里選擇TI公司具有DSP+ARM雙核處理功能的的達芬奇平臺(TMS320DM6446)可以滿足上述的要求。
    微光視頻實時處理系統(tǒng)中，微光視頻的采集、處理和顯示過程是通過TMS320DM6446平臺上的CCD／CMOS攝像頭或者是圖像解碼器，對微光視頻實時采集并進行數(shù)字化轉換后，存儲在讀緩沖區(qū)中，用戶可以利用TMS320DM6446的數(shù)字媒體處理器完成微光視頻的實時處理任務，并將處理后的微光視頻通過嵌入式處理平臺上的顯示設備進行實時顯示。微光視頻實時處理系統(tǒng)的原理如圖1所示。


    在本微光視頻實時處理系統(tǒng)中，微光視頻實時采集部分由視頻采集設備和視頻解碼芯片完成；微光視頻實時處理部分由TI公司的TMS320 DM6446雙核處理器完成；微光視頻實時輸出系統(tǒng)由LCD顯示器和視頻編碼器完成。
2．1 微光視頻圖像的采集
    論文中模擬視頻數(shù)字化標準ITU-RBT．656，它是在ITURBT．601(CCIR-601)的基礎發(fā)展的一種新的視頻數(shù)字化標準。由于 CCIR656視頻數(shù)據(jù)流采用8根信號線(傳統(tǒng)方式需要19根信號線)就可以傳輸所有的圖像信息和行同步、場同步、偶同步信息，因此采用CCIR656方式進行接口設計時，便于實時數(shù)字圖像處理硬件平臺以功能單元為單位進行模塊化設計。


    通過CCD／CMOS視頻采集設備采集模擬的微光視頻，視頻為PAL或者NTSC制式，模擬視頻通過解碼芯片TVP5146與CCD控制器的BT．656接口進行A／D轉換，轉化為YCrCb格式的視頻，同時將采集的微光視頻通過外部存儲器接口(Extmal Memory Interface，EMIF)緩存在DDRAM或SDR-AM中的讀緩沖區(qū)中，以便微光視頻處理模塊對采集的數(shù)據(jù)進行處理。
2．2 微光視頻處理功能的設計
    根據(jù)視頻格式，然后將該分量從RGB格式轉換為YUV格式，再在嵌入式處理平臺中對該分量講行處理，處理完畢后用該分量代替Y分量，將灰度圖像轉換為彩色圖像進行輸出等操作。視頻處理模塊的結構如圖3所示。


    采集模塊采集完一幀微光視頻后，視頻處理模塊從DDRAM／SDRAM中的讀緩沖區(qū)(Read Buffer)中獲取一幀微光視頻，依次對微光視頻進行增強和去噪處理，處理后再次緩存在DDRAM或者SDRAM中的寫緩沖區(qū)(Write Buffer)中，供顯示模塊使用。
2．3 微光視頻顯示功能的設計
    在本系統(tǒng)中我們利用了Framebuffer技術和達芬奇的視頻處理子系統(tǒng)VPSS技術對圖像進行顯示。Framebuffer即幀緩沖區(qū)，是Linux內核中的一種驅動程序接口，這種接口將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū)。用戶可以將它看成是顯示內存的一個映像而不必關心物理顯存的位置、換頁機制等具體細節(jié)。因為這些細節(jié)都是由Framebuffer設備驅動來完成的。程序員只要將要顯示的圖像映射到進程地址空間，它便顯示在屏幕上。顯示模塊的結構圖如圖4所示。


    采集模塊采集到的視頻經(jīng)過處理模塊進行增強和降噪處理后，利用內存映射的方式，使用FrameBuffer技術進行顯示。

3 微光視頻實時處理系統(tǒng)軟件設計
    由于DM6446集成了ARM和DSP雙核，ARM端是主控設備，DSP端用來處理圖像處理，這樣就極大的提高了系統(tǒng)的處理能力。本系統(tǒng)在軟件設計中主要可分為微光視頻采集模塊、微光視頻處理模塊和微光視頻顯示模塊三個部分，系統(tǒng)開始由視頻采集設備采集微光視頻，并且將采集的模擬視頻圖像通過BT．656標準數(shù)字化，將數(shù)字化后的微光視頻存儲在SDRAM／DDBAM的讀緩沖區(qū)中，供微光視頻處理模塊使用；微光視頻處理模塊從讀緩沖區(qū)中讀取微光視頻，并對微光視頻做預處理，提取需要處理的擬合分量，然后再對該分量進行增強處理和去噪處理，處理后將灰度圖像還原為彩色圖像，并寫入 SDRAMIDDRAM中的寫緩沖區(qū)中，供顯示模塊進行顯示；微光視頻實時處理系統(tǒng)的功能漠塊交互如圖5。



4 系統(tǒng)測試
    在達芬奇平臺TMS320DM6446上對實現(xiàn)部分進行測試，在實現(xiàn)實時采集和實時顯示的基礎了進行實時處理，系統(tǒng)各模塊測試的結果如下。采集的原始微光視頻如圖6所示。


    圖6是經(jīng)過微光視頻系統(tǒng)的原始圖像，可以看出圖像對比度比較低，并且表面存在顆粒噪聲?；赥MS320DM6446平臺的視頻采集的實時性測試結果如表 1所示，可以看出加入圖像處理算法之前時，視頻采集達到了25fps，達到了實時性的要求，ARM和DSP中CPU的利用率以及視頻比特率如表1所示。

    圖7是在實時采集的基礎上，對微光視頻進行實時處理測試。對采集的一幀微光視頻采用本文的增強算法處理后的圖像。


    圖7即為微光視頻增強效果，微光視頻處理的實時性測試見表2所示，經(jīng)過采集、處理后視頻以24fpe的速度顯示，基本滿足實時性的要求，此時CPU的利用率和視頻比特率如表2所示。
    從圖6～7和表1～2中，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在圖象處理能力和系統(tǒng)CPU利用率方面都比原來的系統(tǒng)得到了增強，達到了微光系統(tǒng)處理的能力。

5 結束語
    達芬奇平臺集通用處理器和數(shù)字信號處理器雙內核于一體，相對以往的單核處理平臺來講，具有性能更高、功耗更低等特點，無論是在運算能力還是在控制功能上都能達到要求。本文給出的微光系統(tǒng)設計方案對相關的視頻處理系統(tǒng)的設計具有很重要的參考價值。