基于DSP的嵌入式顯微圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計

　　顯微圖像處理是數(shù)字圖像處理的一個重要研究領(lǐng)域，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)在材料、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1][2]。目前的顯微圖像處理通常利用圖像采集系統(tǒng)將顯微圖像采集到計算機(jī)中再進(jìn)行圖像處理，這樣，雖然運(yùn)算速度高，但體積龐大、不便于攜帶，有一定的局限性。因此，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)顆粒顯微圖像的高效、快速、全面的統(tǒng)計與測量，具有重要的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

    本文提出并設(shè)計了一種基于DSP和FPGA的嵌入式顯微圖像采集處理系統(tǒng)，如圖1所示。其中，圖像采集與處理裝置是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它以DSP和FPGA為核心，DSP作為中央處理器負(fù)責(zé)圖像濾波、閾值分割及目標(biāo)的數(shù)目、直徑及面積等統(tǒng)計處理，通過FPGA完成各種接口邏輯和時序匹配，并配以大容量存儲器用于圖像的存儲。DSP芯片體積小，運(yùn)算速度快，使用靈活方便；FPGA具有在系統(tǒng)可編程和控制邏輯實(shí)現(xiàn)靈活的特點(diǎn)。因此，既能夠滿足處理的快速性，又能滿足小型化便于攜帶的要求。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

　　基于視頻圖像處理的顯微圖像處理系統(tǒng)的性能，在很大程度上依賴于其硬件處理單元的結(jié)構(gòu)和性能。本系統(tǒng)所采用的硬件結(jié)構(gòu)主要由5大模塊組成：DSP核心處理單元、視頻圖像采集與存儲模塊、字符與圖形迭加單元、通訊與用戶交互接口模塊、電源模塊。系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。

圖2  嵌入式顯微圖像處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)上電后，DSP執(zhí)行BOOTLOAD程序，將用戶程序代碼從外部Flash load到內(nèi)部程序存儲器，并執(zhí)行A/D、字符迭加等初始化操作。視頻采集與轉(zhuǎn)換模塊將CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)并存儲在RAM中，在一場圖像采集完畢后，由場同步信號通過FPGA以中斷方式通知DSP，DSP從RAM中讀取圖像，并負(fù)責(zé)完成圖像濾波、分割、測量等各種處理算法，將測量結(jié)果通過字符圖形迭加單元顯示在監(jiān)視器屏幕上，也可以根據(jù)需要由通訊接口模塊傳送給主機(jī)。各種接口邏輯與時序控制通過在FPGA器件內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)。

　　模擬視頻信號分為兩路：一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號，另一路則與視頻疊加芯片MAX442和字符疊加芯片μD6453進(jìn)行圖形和字符的疊加顯示。這里采用Philips公司的SAA7111A作為視頻A/D解碼芯片，它將CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并在FPGA的控制下存儲在RAM中，同時產(chǎn)生行同步信號HS、場同步信號VS、奇偶場標(biāo)志信號RTS0以及像素時鐘信號LLC2。MAX442是一個雙通道視頻信號放大器，增益帶寬高達(dá)140MHz。μPD6453為NEC公司生產(chǎn)的用于視頻設(shè)備中的字符發(fā)生芯片。待顯示的字符和圖形與CCD攝像機(jī)輸出的原始圖像一起疊加顯示在監(jiān)視器屏幕上。

　　在圖像采集過程中，視頻解碼芯片SAA7111A按像素逐點(diǎn)輸出4:2:2的YUV格式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。該格式中，每幀圖像的分辨率為720×576，即每行有720個像素點(diǎn)，每幀576行，由于一幀圖像是由奇、偶兩場圖像組成的，因此每場圖像有288行。為了處理方便，每場采集的圖像大小為512×256，即每行采集512個像素，每場（奇場或偶場）采集256行，通過在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)像素延時和行延時，選擇每行中間的512個像素和每場中間的256行。

2 軟件設(shè)計

　　傳統(tǒng)的DSP程序多采用單線程順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)時性較差，資源利用率低，在高速、實(shí)時的圖像處理領(lǐng)域中難以滿足實(shí)際要求。CCS（Code Composer Studio）是一個完整的DSP集成開發(fā)環(huán)境，不僅集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯、鏈接器）以及調(diào)試環(huán)境，還提供了DSP/BIOS開發(fā)工具。DSP/BIOS是一個簡易的嵌入式操作系統(tǒng)，它本身僅占用極少的CPU資源，而且是可裁剪的，能大大方便用戶編寫多任務(wù)應(yīng)用程序，增強(qiáng)對代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控，提高程序的可讀性，方便用戶應(yīng)用程序的編寫，縮短軟件開發(fā)周期。

　　2.1 軟件程序框圖

　　本文在DSP/BIOS的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了顯微圖像處理系統(tǒng)的DSP應(yīng)用程序。使用混合語言編程，用C語言設(shè)計程序中對運(yùn)行時間影響不大的模塊，用匯編語言設(shè)計嚴(yán)格要求實(shí)時性的核心算法。在這里，程序采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊相互獨(dú)立，程序框圖如圖3所示。該程序主要由1個主程序初始化模塊、3個硬件中斷HWI處理模塊、1個軟件中斷SWI處理模塊和4個任務(wù)模塊TSK構(gòu)成。

　　當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，DSP執(zhí)行Bootload引導(dǎo)程序，并將程序入口點(diǎn)設(shè)置到c_int00處，DSP/BIOS應(yīng)用程序從該處開始運(yùn)行，執(zhí)行過程為：首先調(diào)用DSP/BIOS初始化模塊，并調(diào)用主函數(shù)main()，由main()函數(shù)負(fù)責(zé)完成硬件資源分配及各種外圍芯片工作方式的初始化設(shè)置；然后啟動DSP/BIOS，并進(jìn)入空閑循環(huán)周期。這時，應(yīng)用程序完全由硬件中斷驅(qū)動，只有產(chǎn)生中斷時，才會執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊，執(zhí)行完畢后跳出繼續(xù)執(zhí)行Idle空閑循環(huán)程序。

　　2.2 圖像處理算法設(shè)計

　　當(dāng)采集完一場圖像后，F(xiàn)PGA以中斷方式通知DSP，觸發(fā)DSP的INT0中斷。由于一場圖像的時間間隔為20ms，因此每隔20ms觸發(fā)一次該中斷。在中斷處理程序Vs_interrupt()中啟動鍵盤掃描SWI，若有鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的圖像處理程序。

　　顯微圖像受光源光照強(qiáng)度的影響很大，采集的圖像往往質(zhì)量較差、亮度不均勻，目標(biāo)區(qū)域不易從背景區(qū)域中分離出來。為此，需要首先對圖像進(jìn)行濾波處理，然后采用自適應(yīng)閾值的辦法將目標(biāo)從背景中提取出來，并利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)一步去噪處理，最后完成對圖像中目標(biāo)的統(tǒng)計測量計算。

　　首先，利用中值濾波進(jìn)行圖像平滑，窗口大小選擇3×3，采用十字狀窗口。中值濾波在保持目標(biāo)圖像邊緣的同時，去除了尖峰干擾，使圖像背景的亮度更均勻，便于進(jìn)一步的圖像分割處理。

　　由于光源光照強(qiáng)度的影響，背景的灰度值在整幅圖像中存在很大差別，如果只用一個固定的全局閾值對整幅圖像進(jìn)行分割，則由于不能兼顧圖像各處的情況而使分割效果受到影響。為提高分割的精確性，可采用隨背景灰度值緩慢變化的動態(tài)閾值分割的方法，即自適應(yīng)閾值算法。具體做法是：首先將原圖像分解成系列子圖像，由于子圖相對原圖很小，因此受陰影或?qū)Ρ榷瓤臻g變化等問題的影響會比較??；然后對每個子圖計算一個局部閾值；最后通過對這些子圖所得到的閾值進(jìn)行線性插值，就可以得到對原圖中每個像素進(jìn)行分割所需要的合理閾值。分割后的二值圖像再利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換中的開、閉運(yùn)算并選取合適的算子，便可以很好地消除圖像中仍然存在的少量噪聲點(diǎn)，利于下一步的工作。

　　這里，在局部閾值計算時采用最大類間方差法[6]，其計算公式為：
   

　　其中：σ2(T)為兩類間最大方差，WA為目標(biāo)概率，μa為目標(biāo)的平均灰度，WB為背景概率，μb為背景平均灰度，μ為圖像總體平均灰度。即閾值T將圖像分成A、B兩部分，使得兩類總方差σ2(T)取最大值的T，即為最佳分割閾值。

　　為了實(shí)現(xiàn)對顯微圖像中目標(biāo)的數(shù)目以及直徑、面積等幾何特征的統(tǒng)計測量，采用了對二值圖像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記歸類的算法[7]。首先對二值圖像的目標(biāo)區(qū)域從左到右、自上而下進(jìn)行掃描，若為目標(biāo)點(diǎn)，則對其加以標(biāo)記，并根據(jù)八連通原則將屬于同一個顆粒的目標(biāo)圖像賦予相同的數(shù)值。標(biāo)記歸類算法示意圖如圖4所示。由于目標(biāo)的幾何形狀是不規(guī)則的，一次掃描不能夠把所有目標(biāo)全部區(qū)分開來，因此要對二值圖像進(jìn)行多次掃描。圖4(a)表示二值圖像（黑色區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，白色為背景），圖4(b)為對目標(biāo)區(qū)域的一次標(biāo)記，圖4(c)為最后標(biāo)記完成的結(jié)果。其中，數(shù)字1表示1號目標(biāo)，數(shù)字2表示2號目標(biāo)。從圖4可以看出，1號目標(biāo)的標(biāo)記經(jīng)過一次掃描就能夠完成，而2號目標(biāo)則需要二次掃描方可完成標(biāo)記。目標(biāo)圖像經(jīng)過標(biāo)記歸類后就可以很方便地對目標(biāo)的數(shù)目及直徑、面積和周長等特征進(jìn)行測量了。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，對來自顯微鏡下的油膜顆粒圖像進(jìn)行了大量的采集處理與統(tǒng)計測量實(shí)驗(yàn)。圖5(a)是現(xiàn)場采集的一幅顆粒顯微圖像，圖像大小為512×256，由于光源光照強(qiáng)度的影響，整幅圖像背景不均勻。圖5(b)是采用自適應(yīng)閾值二值化后的圖像，目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域已經(jīng)分離開，雖然還有少量的噪聲點(diǎn)，但是經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換后已經(jīng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行顆粒的統(tǒng)計計算。

　　在統(tǒng)計測量過程中，面積小于3個像元的目標(biāo)被當(dāng)作噪聲干擾而略去不計，只對面積大于等于3個像元的目標(biāo)加以統(tǒng)計。為了便于進(jìn)一步的分析和比較，將目標(biāo)按像元數(shù)目分成9個檔次： 3～10、11～20、21～30、31～40、41～50、51～60、61～70、71～80和81以上。對顆粒的數(shù)目、平均面積以及各檔次所占比例進(jìn)行了統(tǒng)計計算，結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)中，在DSP芯片TMS320VC5416工作在最大工作頻率160MHz時，程序的運(yùn)行時間約為15ms。由于視頻采集為PAL制，一場圖像時間為20ms，因此能夠達(dá)到實(shí)時性要求。

　　本文提出了一種以TMS320VC5416作為圖像處理的核心部件的嵌入式顯微圖像處理系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP/BIOS的應(yīng)用程序。利用自適應(yīng)閾值算法對采集的圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的分割，并采用掃描標(biāo)記算法對油膜顆粒顯微圖像進(jìn)行了統(tǒng)計測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用本系統(tǒng)對顆粒顯微圖像進(jìn)行統(tǒng)計，可達(dá)到全面、客觀、方便且自動化程度高的效果，可以應(yīng)用于各種顯微圖像的統(tǒng)計與分析，具有較高的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 辛莉，胡茂海，周紹光.水稻花粉顆粒顯微圖像采集與分析系統(tǒng)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25(1)：43-45.
[2] 尤育賽，于慧敏，劉圓圓.基于粒度測量的重疊圓形顆粒圖像分離方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，39(7)：962-966.
[3] TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual，SPRS095O[J].Texas Instruments，2005，1.
[4] 清源科技.TMS320C54X DSP硬件開發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[5] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.
[6] OTSU N.A threshold selection method from gray-level histogram[J].IEEE Trans，1979，SMC-15：652-655.
[7] 陳忠碧，張啟衡.一種適合于多目標(biāo)檢測的圖像分割方法[J].光電工程，2004，31(5)：34-37.