基于DSP的林木冠层图像采集与处理系统

朱良宽 刘亮 东旭 黄建平

摘要：

林木冠层参数已被广泛应用于森林生态系统研究。随着数字图像的发展，图像方法成为林木冠层参数测量的主要方法之一。林木冠层图像采集与处理系统的小型化与快速化，对于机器视觉和智能系统的发展和应用有着重要的意义。本文以TI公司的TMS320DM642高速信号处理器为核心，采用Otsu算法作为图像处理算法，通过Code Composer Studio（CCS）开发环境进行软件编程，设计了一种林木冠层图像实时采集与处理系统，包括图像数据的采集、处理等主要部分，最后对系统进行了软硬件调试和图像处理实验。实验结果表明，所设计的系统可以实时、有效地完成林木冠层图像的采集与处理。该系统具有实时性强、成本低、设备体积小、功耗低等优势，具有一定的理论和实际应用价值。

关键词：

林木冠层图像；图像采集；图像处理；DSP

中图分类号：S718.42；TP391文献标识码：A文章编号：1001-005X（2018）01-0060-05

Abstract：

Forest canopy parameters have been widely used in forest ecosystem research.With the development of digital images，the image method has become one of the main methods to measure forest canopy parameters.The development of forest canopy image acquisition and processing system with small volume and fast speed is of great significance for the machine vision and intelligent systems.In this paper，a realtime image acquisition and processing system was designed，which used TI TMS320DM642 highspeed signal processor as the core and Otsus method as the image processing algorithm.Under Code Composer Studio（CCS）develop environment，the main function modules of the system was designed.The system included image acquisition，processing and other main parts.Finally，the software and hardware debugging and image processing experiments are carried out on the system.Experiment results showed that the designed system can complete the collection and processing of forest canopy image timely and effectively.The system has the advantages of realtime，low cost，small equipment，low power consumption，and has great values both on theory and practice.

Keywords：

Forest canopy image；image acquisition；image processing；DSP

0引言

隨着现代林业发展，林木冠层参数作为群落外观的可视化判断指数，已经被广泛应用于森林生态系统的相关研究中[1-2]，并占据着非常重要的位置。冠层结构的各项参数，能够直接反映植被的生长能力[3]，对于森林氧气释放速率[4]、固碳效率和水土保持能力的测量与计算提供了极大的帮助，为森林生态系统的各项指标估计测量提供十分重要的相关参考依据[5]。

林木冠层参数的测量方法主要分为直接法和间接法。直接法测量精度高，但是耗力耗时[6]，测量过程中往往需要伐倒植株，具有较大的植被破坏性，且测量规模有限，难以大范围推广。间接法中的图像方法优势明显，不仅简单方便[7]，对植被没有破坏性，还普遍适用于各种树种的测量。并且随着数字图像处理技术及其设备的发展，图像处理越加迅速，设备的成本更加低廉，现在该方法已广泛地应用于林木冠层参数的测量[8-10]。

目前，基于图像法的林木冠层光学分析仪器主要包括加拿大 Regent 公司研发的 Winscanopy 系列植物冠层分析系统以及英国 Delta-T Devices 公司近期改进的 HemiView 冠层分析系统等，这些系统都是通过专用的图像采集设备拍摄图像，再将图像数据离线传至个人计算机，并利用专用的分析软件进行图像处理。然而值得注意的是，一方面，以上系统虽然精度较高，但由于其成本造价及维护费用昂贵，不利于普通林木冠层结构参数采集工作的推广使用；另外，将图像存储在设备中再利用计算机平台进行图像分析处理，又会降低数据处理的实时性[11]。

近年来，数字信号处理器（digital signal processor，DSP）作为一类专门用于数字信号处理的微处理器[12]，因其运算速度、数据吞吐量、稳定性、集成度等性能不断提高，已成功应用于通信、信号处理、语音处理、图形图像处理、自动控制、仪器仪表、家用电器以及医疗等领域[13-15]。DSP芯片不仅可以实现常规的图像采集，快速高效地运行复杂的图像处理程序，得到高精度的计算结果，而且成本低、性价比高、体积小。

鉴于以上分析，本文基于TI公司生产的DSP芯片TMS320DM642设计一种低成本、方便快捷、体积小易移动、实时性强的林木冠层图像采集与处理系统。将显示屏、操作按键、存储SD卡及测量一体化设计，操作简单，体积小，携带方便。采用DSP为系统的核心，用于图像处理算法的实现、数据流的控制以及所有程序的调度，通过摄像头和解码芯片采集林木冠层图像数据，由编码芯片将处理后的结果显示在液晶屏上。本文期望为林木冠层结构参数采集和分析提供一种新的思路和技术储备。

1系统组成

考虑到系统实时性与并行性以及系统的设计简便灵活，因此林木冠层图像采集与处理系统以TI公司的TMS320DM642作为系统硬件部分的核心，在此基础上进行扩充构成冠层图像处理系统整体结构。该系统可分为冠层图像采集模块、冠层图像处理模块、外部存储模块、冠层图像显示模块和其它外围电路5个部分。其中，冠层图像采集模块选用SONY公司的CCD摄像头，该摄像头采用PAL制式，水平解析度为700 TVL，镜头为6 MM，采集的图像有效像素为752 × 582，约440 K，后经图像解码芯片转为ITU-R.656格式数据存入DSP。另外，冠层图像显示模块选用大小为7寸的液晶显示屏来显示冠层图像处理结果。软件选用TI公司专为DSP芯片设计的Code Composer Studio（CCS），并运用CCS进行冠层图像处理系统的实现。系统结构图如图1所示。

1.1图像处理核心

TMS320DM642是TI公司研发推出的一款32位定点DSP芯片，该款芯片专门为图像和视频应用领域设计，DM642强大的计算能力和丰富的片内设备使其成为实时图像处理芯片的主要选择[16]。

如图2所示，DM642芯片内核主要可分为3个部分。

（1）程序读入机构：由程序取值令单元、指令分配单元和指令译码单元组成，通过程序总线将取指令单元与片内程序缓存（L1P）连接。

（2）程序执行机构：由两个寄存器组、八个独立的功能单元组成和控制寄存器组等组成。

（3）芯片测试与仿真端口和相应的控制逻辑。

因为DM642芯片采用哈佛结构设计，CPU中数据总线和程序总线是分开的，所以取指令同时可以执行指令。L1P保存指令代码，程序总线宽度为256B，程序读入机构在每个时钟内可传送8个32B指令到功能单元。

1.2外部存储接口的扩展

DM642芯片最大支持1GB的外部存储器，为较大数据的处理提供了储存空间，待处理的图像像素越高需要外接的存储器要求也越高。为了存储冠层图像数据，在EMIFA的CE0引脚扩展四片SDRAM，在CE1引脚扩展一片Flash。SDRAM选用的是Hynix公司的HY57V641620芯片，芯片容量为4M×64B，其数据传输需要时钟信号同步，可与EMIFA无缝连接，接口支持3.3V的LVTTL标准。Flash选用的AMD公司的AM29LV033C芯片，芯片容量为4M×8B，电源供电的电压选用3.3V。

1.3图像解码和编码芯片的选择

本系统选用TI公司生产的TVP5150芯片作为解码芯片。系统将编码芯片扩展在DM642芯片的视频端口上，传输数据为8B的ITU-R.656格式。DM642芯片处理后的图像需经过编码才可以在液晶屏上显示，本系统选用PHILIPS公司生产的SAA7121芯片作为编码芯片。该芯片具有功耗低的优点，其外部供电电压为3.3V。它可将YUV格式的數字图像信号转换为S-Vidio端口的模拟信号。SAA7121将接受8B的ITU-R.656格式数据，并进行编码处理，经过D/A转换后输出给液晶屏。

2软件设计

2.1CCS开发环境

Code Composer Studio（简称CCS）是一种针对TI公司的DSP芯片制作的集成开发环境。如图3所示，CCS包括代码生成工具（Code Generation Tools）；集成开发环境（IDE）；DSP/BIOS插件程序；RTDX插件；主机接口及API；各种应用模板插件。

CCS代码生成工具是开发环境的基础，可大致分为以下几个部分：

（1）C编译器产生汇编语言源代码。

（2）汇编器将汇编语言的源文件翻译成机器语言目标文件。

（3）连接器将多个目标文件组合为单个可执行目标模块。

（4）归档器将一组文件收集到一个归档文件中。

（5）转换程序将汇编语言源文件中的助记符指令转换为代数指令。

（6）通过建库程序建立满足要求的运行时支持库。

（7）运行时支持库包括C编译器所支持的ANSI标准运行支持函数、I/O函数、浮点运算函数和公用程序函数。

（8）16进制转换公用程序将公用目标格式文件转换成其它目标格式。

（9）交叉引用列表器通过目标文件产生参照列表文件，绝对列表器将输入的目标文件转换为abs文件，并通过转换后的文件产生包含绝对地址的列表文件。

DM642芯片提供在线硬件仿真支持，能通过CCS下载图像处理算法代码和图像数据，还可以控制程序的执行以及进行相应的实时监测，以此来完成系统的软硬件调试。

2.2图像处理算法

图像处理部分主要采用Otsu算法。Otsu算法是由日本学者大津展之在1979年提出的最大类间方差法，这种方法是将最小二乘法的原理作为理论依据，并结合灰度直方图提出的基于方差概念的阈值分割方法[17]。

3实验结果

3.1软件调试实验

本文首先选用基于Winscanopy的高清晰度鱼眼镜头采集的离线半球图像作为软件调试测试样本，并在CCS的Simulator模式下进行模拟实际芯片环境的实验，其目的是为了测试处理算法的有效性和普适性。

整个模拟实验共分为三个步骤：首先，设置CCS工作在Simulator环境中，芯片型号设置为DM642；然后将已经编写好的C文件和CMD文件加入工程并进行编译，编译好的OUT文件在Debug目录下；最后，运行编译好的程序，并观察实验结果。为了便于观察DM642芯片的运行情况，在程序中设置数个断点并采用单步执行的方法运行程序。CCS实验界面和实验结果如图5和图6所示。

从实验结果可以看出，所采用的Otsu算法可以在DM642芯片中完成对林木冠层半球图像的有效分割。

3.2实际测试

为了进一步验证本文设计的林木冠层采集系统的实时性和有效性，以索尼公司的普通CCD摄像头作为采集装置，将整个系统放置在林木中进行实际测试，采集和处理结果如图7所示。实验结果表明，采集和分割结果可以通过冠层显示模块液晶显示屏进行实时显示，因此，所设计的系统可以实时、有效地完成林木冠层图像的采集与处理。

4结束语

本文设计了一种林木冠层图像采集与处理系统，以DSP作为系统的核心，采用Otsu算法进行图像处理运算，用于图像处理算法的实现、数据流的控制以及所有程序的调度。由摄像头和解码芯片采集林木冠层图像数据，再通过编码芯片将处理后的结果显示在液晶屏上。最后，进行了离线调试和在线采集处理实验，验证了该采集设备的可行性与实用性。所设计的系统对于林木冠层参数的获取和分析具有一定的实际应用价值。

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