基于DSP的小型视频图像采集、处理与存储系统研究
|
摘要
电子内窥镜因其独特的结构和成像能力，在社会、生产、生活中有着重要的应用。传统的电子内窥镜一般不具有图像的数字记录和处理功能，而在现代医疗以及工业无损检测中图像的处理和记录都是必不可少的。基于此背景，本文开展了一种低功耗、高集成的便携式基于DSP的小型数字视频图像采集、处理与存储系统的研究。
论文在广泛调研电子内窥镜研究现状和电子内窥镜的图像处理技术及其发展现状的基础上，根据电子内窥镜图像的特点，结合系统的技术要求提出了系统总体方案，并对系统核心芯片进行了选型；完成了系统原理图和PCB图的设计，并对PCB板进行仿真验证；在此基础上，完成了系统控制、采集处理软件设计；最终完成了系统的软硬件联合调试。
初步调试的结果表明，系统总体技术方案是正确可行的，系统硬件电路以及相关系统软件也能够按照设计要求正常工作，初步实现了图像的采集、图像处理、系统控制、FAT16文件系统建立、CF卡文件存储以及视频输出显示等功能，基本上达到了预期目的。
With special structure and imaging ability, electronic endoscope plays important rolein various fields of production and life in society. Traditional electronic endoscope can notdeal with digital record and process of imaging, but it is indispensable to modem medicaltreatment and industrial Non-destructive Testing (NTD) field. Based on this background,this thesis makes research on digital video capturing, storing and processing system, whichisportable with low power and high integrated.
On the basis of widely researching into development actuality of electronic endoscopeand its imaging processing technique, according to image characteristic and the techniquerequirement of the electronic endoscope system, this thesis puts forward the system'soverall scheme, chooses the core chips, completes the schematic circuit diagram, PCBscheme, and then the emluator and verification of the PCB board. After these, the system'ssoftware design is completed, ultimately, the software and hardware combined debuggingis accomplished.
Initial debugging results show that, the system's overall technique scheme is feasible,the hardware circuit and related system software can function correctly according to thedesign, and the image capturing, processing, system controlling, FAT16 file systemestablishing, CF card file storing and video outputting functions are accomplished. On thewhole, the expected aim is achieved.
论文在广泛调研电子内窥镜研究现状和电子内窥镜的图像处理技术及其发展现状的基础上，根据电子内窥镜图像的特点，结合系统的技术要求提出了系统总体方案，并对系统核心芯片进行了选型；完成了系统原理图和PCB图的设计，并对PCB板进行仿真验证；在此基础上，完成了系统控制、采集处理软件设计；最终完成了系统的软硬件联合调试。
初步调试的结果表明，系统总体技术方案是正确可行的，系统硬件电路以及相关系统软件也能够按照设计要求正常工作，初步实现了图像的采集、图像处理、系统控制、FAT16文件系统建立、CF卡文件存储以及视频输出显示等功能，基本上达到了预期目的。
With special structure and imaging ability, electronic endoscope plays important rolein various fields of production and life in society. Traditional electronic endoscope can notdeal with digital record and process of imaging, but it is indispensable to modem medicaltreatment and industrial Non-destructive Testing (NTD) field. Based on this background,this thesis makes research on digital video capturing, storing and processing system, whichisportable with low power and high integrated.
On the basis of widely researching into development actuality of electronic endoscopeand its imaging processing technique, according to image characteristic and the techniquerequirement of the electronic endoscope system, this thesis puts forward the system'soverall scheme, chooses the core chips, completes the schematic circuit diagram, PCBscheme, and then the emluator and verification of the PCB board. After these, the system'ssoftware design is completed, ultimately, the software and hardware combined debuggingis accomplished.
Initial debugging results show that, the system's overall technique scheme is feasible,the hardware circuit and related system software can function correctly according to thedesign, and the image capturing, processing, system controlling, FAT16 file systemestablishing, CF card file storing and video outputting functions are accomplished. On thewhole, the expected aim is achieved.
引文
[1] 景晓军，周贤伟，付娅丽．图像处理技术及其应用[M]．第1版．北京：国防工业出版社，2005．
[2] 熊智华，李强，张颖．基于TMS320VC5416的图像采集处理系统[J]．计算机工程与应用，2005(4)：109-111．
[3] 李励．医用内窥镜的发展历程[J]．医疗设备信息，1999(4)：51-53．
[4] 张振远，孔维彪，管陵生，陆小健．内窥镜及其应用[J]．玻璃纤维，2002(4)：25-28．
[5] 方萍．电子内窥镜的技术进展[J]．医疗卫生装备，2003(9)：20-21．
[6] 胡学龙，许开宇．数字图像处理[M]．第1版．北京：电子工业出版社，2006．
[7] 田丰民，陈向东，李向东．无线内窥镜[J]．仪器仪表学报，2003，24(4)：212-214．
[8] 韦林公司．电子内窥镜[OL]．http://www.welchallyn.com/medical/products/catalog/.
[9] 奥林巴斯公司．电子内窥镜[OL]．http://www.olympus.co.jp/en/mesg/endoscope/.
[10] Shinichi Tamura, Xin Chen. Intrabody Three-Dimensional Position Sensor for an Ultrasound Endoscope [J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2002, 49(10): 1187-1194.
[11] M Sendoh, K Ishiyama, K-I Arai. Fabrication of Magnetic Actuator for Use in a Capsule Endoscope [J]. IEEE Transaction on Magnetics, 2003, 39(5): 3232-3234.
[12] 徐州市卫华光电仪器厂．工业电子内窥镜[OL]．http://www.xz-wh.com/cpl.htm.
[13] 上海澳华光电内窥镜有限公司．工业电子内窥镜[OL]．http://www.sh-aohua.com/gongyel.htm.
[14] 南京春辉科技实业有限公司．工业电子内窥镜[OL]．http://www.china-light-guides.com/cp/chanpin.asp.
[15] 辛玉．电子工业内窥镜[J]．汽车工艺与材料．1994(12)：41．
[16] 宋磊，方向忠．达芬奇技术的视频应用分析[J]．电路与应用．2006(9)：31-33．
[17] 罗志强，王耀南．Blackfin533的DMA技术及其在图像处理中的应用[J]．国外电子元器件．2005(2)：32-35．
[18] 黎洪松．数字视频处理[M]．第1版．北京：北京邮电大学出版社．2006．
[19] RECOMMENDATION ITU-R BT.601-5: STUDIO ENCODING PARAMETERS OF DIGITAL TELEVISION FOR STANDARD 4:3 AND WIDE-SCREEN 16:9 ASPECT RATIOS[S]. 1995.
[20] RECOMMENDATION ITU-R BT,656-4: Interfaces for digital component video signals in 525-line and 625-line television systems operating at the 4:2:2 level of Recommendation ITU-R BT.601 (Part A)[S]. 2003.
[21] 司明钢．数字视频图像采集、存储与处理系统的研究[D]．南京：南京理工大学，2005．
[22] 王建萍，谢世钟，李威，郁道银．对医用电子内窥镜图像的放大与增强处理[J]．激光与红外．2001(5)：312-314．
[23] 江洁，郁道银，王金刚．基于FPGA的电子内窥镜CCD彩色图像采集与显示系统[J]．仪器仪表学报．2000(1)：50-57．
[24] 孙正，江洁，郁道银．电子内窥镜图像实时采集与视频显示系统设计与实现[J]．天津大学学报．2002(5)：627-630．
[25] 任丽香，马淑芬，李方慧．TMS320C6000系列DSPs的原理与应用[M]．第一版．北京：电子工业出版社．2000
[26] Texas Instrument Incorporate. TMS320C6201/6701 Peripherals Reference Guide[EB]. 1998.
[27] 陈峰．Blackfin系列DSP原理与系统设计[M]．第1版．北京：电子工业出版社，2003．
[28] 郝春艳．基于CPLD／FPGA技术的视频图像处理系统的设计与实现[D]．武汉：武汉科技大学，2005．
[29] 李爱成，袁杰，都思丹．基于数字图像处理的视频字符混合器的研究[J]．交通与计算机．2005，4(23)：58-60．
[30] Compact Flash Association. CF+ and Compact Flash Specification Revision 2.0[EB]. 2003.
[31] 白军元，贺占庄，李杰．低功耗DSP系统设计中的电源解决方案[J]．微电子学与计算机．2003(增刊)：44-50．
[32] 李芳慧，王飞，何佩琨．TMS320C6000系列DSPs原理与应用[M]．第2版．北京：电子工业出版社，2003．
[33] Philips Semiconductors. SAA7111 Datasheet[EB]. 1998.
[34] 林志贤，廖志君，郭太良．SAA7111A在彩色视频FED中的应用．现代显示[J]．2005(5)：48-53．
[35] Analog Devices,Inc. ADV7170 Datasheet[EB]. 200 I.
[36] 庄克玉，黄洪全．实时图像处理系统的DSP实现[J]．自动化技术与应用，2004，23(3)：59-61．
[37] Texas Instruments Incorporated. TMS320C6204 Datasheet[EB]. 2004.
[38] Advanced Micro Devices.Am29LV800B Datasheet[EB]. 2000.
[39] 刘生贵．视频图像处理系统软件研究[D]．南京：南京理工大学，2006．
[40] Xilinx, Inc. XC95288XL High Performance CPLD[EB]. 2003.
[41] Fujitsu Media Devices. MB90092 Datasheet[EB]. 2001.
[42] 李巍．数字视频图像处理系统硬件设计与仿真[D]．南京：南京理工大学，2006．
[43] 钱怀风．OSD芯片MB90092的原理及应用[J]．国外电子元器件．2005(1)：52-55．
[44] Integrated Device Technology, Inc. IDT72V271LA Datasheet[EB]. 2002.
[45] Philips Semiconductors. THE I2C SPECIFICATION VERSION 2.1 [EB]. 2000-01.
[46] 李武森．小型化高速DSP微光视频图像处理器的研究[D]．南京：南京理工大学，2003．
[47] 陈亚滨，郭勇．对高速电路设计的几点考虑[J]．现代电子技术，2002，(2)：81-83．
[48] 谢金明．高速数字电路设计与噪声控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2003．
[49] 孙靖国，牛文生，刘东．高速数字电路中的信号完整性问题[J]．航空计算技术，2001， 31(4)：40-43．
[50] 曾峰，侯亚宁，曾凡雨．印刷电路板(PCB)设计与制作[M]．北京：电子工业出版社，2002
[51] 顾海洲，马双武．PCB电磁兼容设计-设计实践[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[52] 候伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]．第2版．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
[53] 段有艳．基于Xilinx ISE软件平合用VHDL实现FPGA电路设计[J]．昆明冶金高等专科学校学报．2006(3)：76-80．
[54] 曾祥萍，赵海全．ISE集成开发环境下基于FPGA的数字设计[J]．开发研究与设计技术．2007(2)：156-158．
[55] 王诚，薛小刚，钟信潮．FPGA／CPLD设计工具Xilinx ISE 5.X使用详解[M]．北京：人民邮电出版社，2003．
[56] W K Pratt. Digital Image Processing[M]. 2nd edition. Wiley, New York, 1991.
[57] 王守业，谢伟军．JPEG编／解码芯片及其在视频存储／回放中的应用[J]．电视技术，1999(6)：11-15．
[58] 任重．基于DCT的图像压缩技术[J]．江西科技师范学院学报，2004(6)：89-104．
[59] Microsoft Corporation. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification-FAT: General Overview of On-Disk Format. Version 1.03[EB]. 2000.
[60] 林海虹，刘慧．CF卡与双核DSP的实现．电子技术应用，2002(12)：23-25．
[61] 程拥强，郭凤龙，朱劲．单片机对CF存储卡文件读写的实现[J]．计算机应用，2003，23(9)：146-148．
[62] 秦亚杰，周荣政．一种用于数码相机芯片的CF卡控制电路设计[J]．复旦学报，2003，42(1)：114-116．
[63] 桂峰，周涛．CF卡大容量存储系统[J]．雷达与对抗，2004(1)：59-61．
[2] 熊智华，李强，张颖．基于TMS320VC5416的图像采集处理系统[J]．计算机工程与应用，2005(4)：109-111．
[3] 李励．医用内窥镜的发展历程[J]．医疗设备信息，1999(4)：51-53．
[4] 张振远，孔维彪，管陵生，陆小健．内窥镜及其应用[J]．玻璃纤维，2002(4)：25-28．
[5] 方萍．电子内窥镜的技术进展[J]．医疗卫生装备，2003(9)：20-21．
[6] 胡学龙，许开宇．数字图像处理[M]．第1版．北京：电子工业出版社，2006．
[7] 田丰民，陈向东，李向东．无线内窥镜[J]．仪器仪表学报，2003，24(4)：212-214．
[8] 韦林公司．电子内窥镜[OL]．http://www.welchallyn.com/medical/products/catalog/.
[9] 奥林巴斯公司．电子内窥镜[OL]．http://www.olympus.co.jp/en/mesg/endoscope/.
[10] Shinichi Tamura, Xin Chen. Intrabody Three-Dimensional Position Sensor for an Ultrasound Endoscope [J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2002, 49(10): 1187-1194.
[11] M Sendoh, K Ishiyama, K-I Arai. Fabrication of Magnetic Actuator for Use in a Capsule Endoscope [J]. IEEE Transaction on Magnetics, 2003, 39(5): 3232-3234.
[12] 徐州市卫华光电仪器厂．工业电子内窥镜[OL]．http://www.xz-wh.com/cpl.htm.
[13] 上海澳华光电内窥镜有限公司．工业电子内窥镜[OL]．http://www.sh-aohua.com/gongyel.htm.
[14] 南京春辉科技实业有限公司．工业电子内窥镜[OL]．http://www.china-light-guides.com/cp/chanpin.asp.
[15] 辛玉．电子工业内窥镜[J]．汽车工艺与材料．1994(12)：41．
[16] 宋磊，方向忠．达芬奇技术的视频应用分析[J]．电路与应用．2006(9)：31-33．
[17] 罗志强，王耀南．Blackfin533的DMA技术及其在图像处理中的应用[J]．国外电子元器件．2005(2)：32-35．
[18] 黎洪松．数字视频处理[M]．第1版．北京：北京邮电大学出版社．2006．
[19] RECOMMENDATION ITU-R BT.601-5: STUDIO ENCODING PARAMETERS OF DIGITAL TELEVISION FOR STANDARD 4:3 AND WIDE-SCREEN 16:9 ASPECT RATIOS[S]. 1995.
[20] RECOMMENDATION ITU-R BT,656-4: Interfaces for digital component video signals in 525-line and 625-line television systems operating at the 4:2:2 level of Recommendation ITU-R BT.601 (Part A)[S]. 2003.
[21] 司明钢．数字视频图像采集、存储与处理系统的研究[D]．南京：南京理工大学，2005．
[22] 王建萍，谢世钟，李威，郁道银．对医用电子内窥镜图像的放大与增强处理[J]．激光与红外．2001(5)：312-314．
[23] 江洁，郁道银，王金刚．基于FPGA的电子内窥镜CCD彩色图像采集与显示系统[J]．仪器仪表学报．2000(1)：50-57．
[24] 孙正，江洁，郁道银．电子内窥镜图像实时采集与视频显示系统设计与实现[J]．天津大学学报．2002(5)：627-630．
[25] 任丽香，马淑芬，李方慧．TMS320C6000系列DSPs的原理与应用[M]．第一版．北京：电子工业出版社．2000
[26] Texas Instrument Incorporate. TMS320C6201/6701 Peripherals Reference Guide[EB]. 1998.
[27] 陈峰．Blackfin系列DSP原理与系统设计[M]．第1版．北京：电子工业出版社，2003．
[28] 郝春艳．基于CPLD／FPGA技术的视频图像处理系统的设计与实现[D]．武汉：武汉科技大学，2005．
[29] 李爱成，袁杰，都思丹．基于数字图像处理的视频字符混合器的研究[J]．交通与计算机．2005，4(23)：58-60．
[30] Compact Flash Association. CF+ and Compact Flash Specification Revision 2.0[EB]. 2003.
[31] 白军元，贺占庄，李杰．低功耗DSP系统设计中的电源解决方案[J]．微电子学与计算机．2003(增刊)：44-50．
[32] 李芳慧，王飞，何佩琨．TMS320C6000系列DSPs原理与应用[M]．第2版．北京：电子工业出版社，2003．
[33] Philips Semiconductors. SAA7111 Datasheet[EB]. 1998.
[34] 林志贤，廖志君，郭太良．SAA7111A在彩色视频FED中的应用．现代显示[J]．2005(5)：48-53．
[35] Analog Devices,Inc. ADV7170 Datasheet[EB]. 200 I.
[36] 庄克玉，黄洪全．实时图像处理系统的DSP实现[J]．自动化技术与应用，2004，23(3)：59-61．
[37] Texas Instruments Incorporated. TMS320C6204 Datasheet[EB]. 2004.
[38] Advanced Micro Devices.Am29LV800B Datasheet[EB]. 2000.
[39] 刘生贵．视频图像处理系统软件研究[D]．南京：南京理工大学，2006．
[40] Xilinx, Inc. XC95288XL High Performance CPLD[EB]. 2003.
[41] Fujitsu Media Devices. MB90092 Datasheet[EB]. 2001.
[42] 李巍．数字视频图像处理系统硬件设计与仿真[D]．南京：南京理工大学，2006．
[43] 钱怀风．OSD芯片MB90092的原理及应用[J]．国外电子元器件．2005(1)：52-55．
[44] Integrated Device Technology, Inc. IDT72V271LA Datasheet[EB]. 2002.
[45] Philips Semiconductors. THE I2C SPECIFICATION VERSION 2.1 [EB]. 2000-01.
[46] 李武森．小型化高速DSP微光视频图像处理器的研究[D]．南京：南京理工大学，2003．
[47] 陈亚滨，郭勇．对高速电路设计的几点考虑[J]．现代电子技术，2002，(2)：81-83．
[48] 谢金明．高速数字电路设计与噪声控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2003．
[49] 孙靖国，牛文生，刘东．高速数字电路中的信号完整性问题[J]．航空计算技术，2001， 31(4)：40-43．
[50] 曾峰，侯亚宁，曾凡雨．印刷电路板(PCB)设计与制作[M]．北京：电子工业出版社，2002
[51] 顾海洲，马双武．PCB电磁兼容设计-设计实践[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[52] 候伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]．第2版．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
[53] 段有艳．基于Xilinx ISE软件平合用VHDL实现FPGA电路设计[J]．昆明冶金高等专科学校学报．2006(3)：76-80．
[54] 曾祥萍，赵海全．ISE集成开发环境下基于FPGA的数字设计[J]．开发研究与设计技术．2007(2)：156-158．
[55] 王诚，薛小刚，钟信潮．FPGA／CPLD设计工具Xilinx ISE 5.X使用详解[M]．北京：人民邮电出版社，2003．
[56] W K Pratt. Digital Image Processing[M]. 2nd edition. Wiley, New York, 1991.
[57] 王守业，谢伟军．JPEG编／解码芯片及其在视频存储／回放中的应用[J]．电视技术，1999(6)：11-15．
[58] 任重．基于DCT的图像压缩技术[J]．江西科技师范学院学报，2004(6)：89-104．
[59] Microsoft Corporation. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification-FAT: General Overview of On-Disk Format. Version 1.03[EB]. 2000.
[60] 林海虹，刘慧．CF卡与双核DSP的实现．电子技术应用，2002(12)：23-25．
[61] 程拥强，郭凤龙，朱劲．单片机对CF存储卡文件读写的实现[J]．计算机应用，2003，23(9)：146-148．
[62] 秦亚杰，周荣政．一种用于数码相机芯片的CF卡控制电路设计[J]．复旦学报，2003，42(1)：114-116．
[63] 桂峰，周涛．CF卡大容量存储系统[J]．雷达与对抗，2004(1)：59-61．