【文章內(nèi)容簡介】 專用的軟件 Code Composer Stdio （如圖 1） 進(jìn)行仿真，編程，調(diào)試。 Code Composer Studio 包含一整套用于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用的工具。它包含適用于每個 TI 器件系列的編譯器、源碼編輯 器、項目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器、描述器、仿真器以及多種其它功能。 CCS IDE 提供了單個用戶界面，可幫助您完成應(yīng)用開發(fā)流程的每個步驟。借助于精密的高效工具，用戶能夠利用熟悉的工具和界面快速上手并將功能添加至他們的應(yīng)用。 5 版本 4 之前的 CCS 均基于 Eclipse 開放源碼軟件框架。 Eclipse 軟件框架可用于多種不同的應(yīng)用，但是它最初被開發(fā)為開放框架以用于創(chuàng)建開發(fā)工具。我們之所以選擇讓 CCS 基于 Eclipse ，是因為它為構(gòu)建軟件開發(fā)環(huán)境提供了出色的軟件框架，并且正成為眾多嵌入式軟件供應(yīng)商采用的 標(biāo)準(zhǔn)框架。 CCS 將 Eclipse 軟件框架的優(yōu)點和德州儀器 (TI) 先進(jìn)的嵌入式調(diào)試功能相結(jié)合，為嵌入式開發(fā)人員提供了一個引人注目、功能豐富的開發(fā)環(huán)境。 圖 21 ccs 界面 圖 22 設(shè)備截圖 6 第三章 圖像 基礎(chǔ)知識 由于本課程設(shè)計是基于 DM642 開發(fā)板的， DSP的視頻采集和存儲方式是和常用的電腦中的圖像不同的 ，并且在實現(xiàn)人臉識別的過程中運用到了大量的數(shù)字圖像處理算法，因此在這里非常有必要對一些圖像的基礎(chǔ)知識進(jìn)行一些簡單的介紹。 DSP 的攝像頭采集的是 PAL 格式的視頻，視頻的每一幀 大小是 576（行）*720（列）。在內(nèi)存中存儲的方式是：前 288 行表示的是奇數(shù)行，后 288 行表示偶數(shù)行。 每一個像素點由三個信號組成，亮度（ Y），紅色色差（ Cr），藍(lán)色色差（ Cb） 。 下面對幾個重要的概念進(jìn)行介紹，重點介紹 YUV 格式數(shù)字視頻的圖像構(gòu)成。 數(shù)字圖像 經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)換并可以用數(shù)字表示、處理的圖像。由象素點組成，其中橫向的點數(shù)稱為水平分辨率，縱向的為垂直分辨率，一幅完整的圖分為若干行，稱為一幀圖像。每個象素根據(jù)量化精度不同其取值也不同，例如取三個色彩分量均為 8 位二進(jìn)制數(shù)的 RGB 表 示方法，用連續(xù)的三個 8 位二進(jìn)制數(shù)表示一個彩色點， (200,100,64)描述的點的紅色分量為 200，綠色分量 100，藍(lán)色分量 64，其中每個分量的取值均為 0— 255 表示從最暗到最亮 256 個等級。許多靜態(tài)的圖像可以經(jīng)連續(xù)播放產(chǎn)生動態(tài)效果， 25 幀 /秒或 30 幀 /秒的幀速可產(chǎn)生較平滑的動態(tài)顯示效果。 色彩空間 常用的色彩空間有 RGB 和 YCbCr 色彩空間，下面逐一介紹這兩個色彩空間。 RGB 色彩空間：圖像采集和顯示設(shè)備采用，例如 CCD、 CMOS 攝像頭，CRT 監(jiān)視器等。 因其色彩分量之間有較大的相關(guān)性，不適于做圖像處理。 YCbCr 色彩空間： Y 表示亮度， Cb 和 Cr 表示色差。各色彩分量之間相關(guān)性小，適于進(jìn)行處理操作。色差信號常做 2:1 抽樣處理以節(jié)省帶寬 。 視頻圖像 視頻簡單地說就是活動圖像。電影也是活動圖像，電影把大量靜止圖像 7 記錄在膠片上，一張一張地連續(xù)顯示出來，就成了我們看到的電影。對于電視視頻，每秒鐘包含幾十幀靜止圖像，每一幀靜止圖像由幾百個行組成，每一行又由幾百個像素點組成。 1 秒鐘包含的圖像幀數(shù)為幀頻， 1 秒鐘包含的總行數(shù)為行頻， 1 秒鐘包含的 總像素數(shù)實際上就是相當(dāng)于視頻帶寬。 模擬視頻 遙想起來，在當(dāng)年有限的條件下，用電子管做出電視機的前輩們實在是令人佩服的，但是，用現(xiàn)在的眼光來看，當(dāng)年的電視技術(shù)又實在是很簡陋的。我國的黑白視頻信號幀頻為 25 Hz，就是說每秒顯示 25 幅圖像，之所以規(guī)定為 25 Hz，而不是其它的某個值，主要是因為兩個原因。一個與人的視覺生理特點有關(guān)，當(dāng)圖像的刷新速度達(dá)到 5 幀 /秒的時候，人開始感覺圖像是活動的，而達(dá)到 24 幀 /秒的時候，人感覺圖像是完全連續(xù)和流暢的（電影所使用的幀頻就是 24 Hz），所以視頻信 號幀頻應(yīng)大于等于 24 Hz。理論上來說幀頻越高越好，但是幀頻越高，對電路的要求也越高，技術(shù)越復(fù)雜，成本也越高（現(xiàn)在有的電腦彩顯幀頻已達(dá)到 200Hz），在當(dāng)時的條件下，只能選擇一個大于 24 的盡量小的值。另一個原因是因為我國的電網(wǎng)頻率是 50Hz，當(dāng)采用 25 Hz 幀頻時，隔行掃描時的場頻為 50Hz，正好與電網(wǎng)同頻，這樣，電源對圖像的干擾是固定的，人眼不容易感覺出來，或者換個角度說：電源就可以不必做得那么精密（那個時候開關(guān)電源還很少使用，整流電源缺乏穩(wěn)壓措施，紋波很大）。所以選擇了 25 Hz 幀頻 。 說到這里，又要說說“場頻”。電視在顯示圖像的時候，把一幀分成了兩場來顯示，一個場由幀中的奇數(shù)行組成，叫做奇場，另一個場由幀中的偶數(shù)行組成，叫做偶場。之所以要這樣做，主要是因為在 CRT 顯象管上一秒鐘顯示 25 幀圖像 時，人眼感覺到連續(xù)性還是不太好，而且還有明顯的閃爍，一幀分成兩場后，場頻為 50 Hz，圖像更加連續(xù)一些。當(dāng)然還有一些別的原因，與電路設(shè)計方面有關(guān)。 在視頻信號傳輸中采用的是 YUV 合成的方法。 Y 代表亮度信息， U(Cb)代表藍(lán)色色差（就是藍(lán)色信號與亮度信號之間的差值）， V(Cr)代表 紅色色差。 彩色視頻信號：當(dāng)科學(xué)家們開始研究彩色電視的時候，黑白電視已經(jīng)大量使用了，所以最好彩色電視信號能夠與黑白電視信號保持兼容，以便彩色電視信號在黑白電視機上能播放出黑白的圖像。這個問題是很困難的，因為色度信號也要占用較大的帶寬，而在電視射頻頻帶上，一個頻道挨著一個頻道，亮度信號（實際上還有調(diào)頻的伴音信號）已經(jīng)把頻帶給塞滿了，幸運的是，后來終于運用壓縮亮度信號帶寬、大面積著色等技術(shù)解決了這個問題。 8 從頻域的角度來看，色度信號（ UV 色差信號）是插在亮度信號的頻譜的間隙之中的，具體的位置是插在 的地方，帶寬 。在接收機中，簡單地說，把收到的信號中的 處的帶寬 的信號取出來就成了色度信號，而把收到的信號中的 處的這個信號濾掉剩下的就是亮度信號。很多硬件工程師可能不容易理解這是什么意思，不過沒關(guān)系。下面我們從時域的角度來看看它們的一行的波形，如圖所示，黑白視頻的亮度信號采用了調(diào)幅制，一行的周期是 64μ s，其中顯示在屏幕上的信號占 52μ s，其余部分為行消 14 隱、行同步頭。對于彩色信號，還在行同步頭上疊加了一小段 的副載波信號 ，用接收機中的 信號的頻率和相位基準(zhǔn)。 上面說的是彩色視頻信號怎么加到原來的黑白視頻信號中。那么彩色圖像是怎么還原和顯示出來的呢？我們知道，黑白圖像的像素只能用亮度（灰度）來描述。而彩色圖像的像素的描述要復(fù)雜一些，有很多不同的方法，比如在印刷行業(yè)中用的是 CMYK（青、品紅、黃、黑）四色合成的方法，而在計算機或電視機的 CRT 顯象管中都是用的 RGB（紅、綠、藍(lán)）三基色合成的方法，我也不明白為什么要選這三種顏色，而沒選別的顏色，我猜想可能是因為人眼包含 RGB 三種色感細(xì)胞，所以用這三種基 色能合成比較多的人眼能識別的彩色出來，或者因為這三種基色的熒光粉比較容易制造。通過 RGB 三基色來合成某種彩色，或者某種彩色怎樣分解為三基色，這個是大家都熟悉的。用 RGB 三基色來表示彩色的確很直觀，但是如果把這種方法用作圖像傳輸則絕不是一個好的方法。 (1) 與黑白圖像不兼容，把 RGB 三基色轉(zhuǎn)換為灰度的方法是：灰度 =R*+G*+B*,這個轉(zhuǎn)換過程顯然是比較復(fù)雜的。對于電視機而言，就意味著必須解碼出 RGB 信號才有可能得到黑白圖像，而黑白電視機沒有解碼功能，所以不能實 現(xiàn)兼容。 (2) 占用太多帶寬，用 RGB 三基色表示圖像，每個分量的帶寬是均等的，都約等于亮度信號的帶寬，所以對于每個分量，都要用較大的帶寬來描述。 (3) 抗干擾能力差。由于 G 分量占有亮度值的 59%，所以當(dāng) G 受到干擾的時候，像素的亮度值會受到很大的影響，而人眼對亮度值的變化是十分敏感的，所以圖像主觀質(zhì)量會明顯下降。 基于這些原因，在視頻信號傳輸中采用的是 YUV合成的方法。 (1) 與黑白圖像兼容。假定一個像素是用 YUV 表示的，我們只要忽略 UV 分量，取出 Y 分量，就可以得到像 素的亮度值，從而把彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像。這樣很容易實現(xiàn)彩色電視信號與黑白電視信號的兼容。 (2) 節(jié)省帶寬。說這個問題的時候要先說說大面積著色原理。實驗發(fā)現(xiàn)， 9 人眼對亮度信息是敏感的，主要通過亮度差別來分辨物體形狀的細(xì)節(jié)，而對彩色信息是不敏感的，人眼區(qū)分不出物體顏色上的細(xì)小的變化，或者說人眼不容易覺察出來圖像的色彩的細(xì)節(jié)部分的變化。因此，可以對亮度信號用較高的采樣頻率采樣，而對色度信號用較低的采樣頻率采樣（或者用較低的量化深度），比如幾個相鄰的像素的亮度值不同，但是卻可以使用一個相同的色度值。這就是大面積 著色原理。基于這個原理，在電視信號傳輸中， U 或 V 信號的帶寬遠(yuǎn)小于 V 信號的帶寬，這樣就節(jié)約了帶寬。換個方式來說，比如在計算機中，用 RGB 方式描述一個像素需要 R、 G、 B 共 3 個字節(jié)。而用 YUV 方式描述，則對于每 2 個像素， Y 用 2 個字節(jié)， U 取相同的值，用一個字節(jié)， V 取相同的值，用一個字節(jié)，平均每個像素 2 個字節(jié)?；蛘呙總€像素 Y 用一個字節(jié)， U 用半個字節(jié)， V 用半個字節(jié)，共 2 個字節(jié)。 (3) 抗干擾能力強。由于亮度信號是單獨表示的，所以如果色差信號受到干擾，不會影響到亮 度，主觀感覺噪聲不會明顯增加。 在電視機中，彩色視頻信號首先分解為亮度信號 Y 和色度信號，色度信號再分解為 U 色差信號和 V 色差信號，最后由 YUV 三個分量經(jīng)過矩陣運算變換為 RGB 信號，以便在顯像管上顯示。 視頻信號的缺點： (1) 幀頻低。視頻信號的幀頻只有 25Hz，必然導(dǎo)致圖像閃爍。 (2) 分辨率低。在一幀中有效的行只有 576 行。由于采用了隔行掃描，一幀圖像要由連續(xù)的兩場來拼合而成，而實際上很難保證兩場中的行準(zhǔn)確地錯開（對準(zhǔn)間隙），這進(jìn)一步導(dǎo) 15 致垂直方向的分辨能力損失。 (3) 亮色串?dāng)_ 。亮度信號和色度信號混合在一起，解碼的時候不能很好地分開，導(dǎo)致亮度信號和色度信號互相干擾。 (4) 缺乏改進(jìn)余地。除非重新制定新的標(biāo)準(zhǔn)，否則前面提到的三個問題在現(xiàn)有基礎(chǔ)上都很難改進(jìn)。視頻信號格式有這么多缺點，是因為受當(dāng)年制定這個標(biāo)準(zhǔn)時的技術(shù)條件制約造成的，而近年來通過在電視中加入一些數(shù)字處理的手段，比如倍頻掃描（ 100 Hz 場頻）、使用數(shù)字梳狀濾波器等方法，電視的圖像質(zhì)量也得到一些提高。而現(xiàn)在正在研究的數(shù)字電視，是重新制定的全新的標(biāo)準(zhǔn)，用以獲得膠片質(zhì)量的圖像，可能會徹底淘汰現(xiàn)在的視頻標(biāo)準(zhǔn)和電視設(shè)備 數(shù)字視頻 視頻信號起初是以模擬信號的形式保存在錄像磁帶上的，而現(xiàn)在隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，可以變成數(shù)字信號保存在光盤或計算機硬盤中，當(dāng)然這些離不開功能強大的計算機，實際上，在嵌入式領(lǐng)域，數(shù)字視頻也是可以應(yīng)用 10 的，比如用單片機或 DSP 來處理數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。 模擬視頻信號解碼并量化成連續(xù)的數(shù)字視頻流后所包含的一些信號元素：模擬視頻信號每秒 25 幀，每幀周期 40ms，而每幀又分為 2 場，每場20ms，先輸出的是奇場，然后是偶場，奇場的行號為第 1 至 行，偶場的行號為第 至 625 行，其中，奇場的 第 至 310 行包含有效的視頻信號，偶場的第 336 至 行包含有效的視頻信號。把模擬視頻信號解碼為 YUV 分量后，分別進(jìn)行 A/D 量化采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻流，時間上也應(yīng)該是按上面的順序依次輸出。有幾個相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)對此作了一些約定。比如 1994 年國際無線電咨詢委員會出臺了 CCIR601 標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)主要是針對演播室的要求制定的，其中規(guī)定亮度信號的采樣頻率是 MHz，色度信號的采樣頻率是 MHz，采用 8 位 PCM 編碼。 這樣，每行的 Y 采樣數(shù)為 864 個，其中有效的 Y 采 樣數(shù)為 720 個。而每行的 U 或 V 采樣數(shù)為 432 個，有效的 U 或 V 采樣數(shù)為 360 個。平均描述每個像素的 YUV 的位數(shù)分別為 8bit、 4bit、 4bit，又叫做 YUV422 編碼方案（當(dāng)然還有很多別的方案，如 YUV411 等）。國際無線電咨詢委員會還出臺了CCIR656 建議，其中規(guī)定視頻數(shù)據(jù)的量化值中的 0 和 255 保留不用，而量化數(shù)據(jù)串行輸出的順序是： U0、 Y0、 V0、 Y1， U2， Y2， V2， Y3， U4， Y5， V4，Y6，如此循環(huán)。通過上面的討論，我們可以看出，數(shù)字視頻流應(yīng)包含的元素有：奇偶場指示 信號 FI（有的稱為 ODD）、場同步信號、行同步信號、像素時鐘、 YUV 數(shù)據(jù)輸出。在此我們順便計算一下數(shù)字視頻流的數(shù)據(jù)量，每秒的數(shù)據(jù)量 =（ 720 像素 *576 行 *25 幀） *2 字節(jié) =20736000 字節(jié)，數(shù)據(jù)率約165Mbps。 11 第四章 系統(tǒng)的概要設(shè)計