DSP图像处理综述Word文档格式.doc

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1. DSP发展历史

DSP的历史可分为三个阶段

1.在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50-60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。

直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。

一般认为，世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S281l。

1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。

这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。

1980年，日本NEC公司推出的mPD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。

2.随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志了实时数字信号处理领域的重大突破。

Ti公司之后不久相继推出了第二代和第三代DSP芯片。

90年代DSP发展最快。

Ti公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。

3.随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。

而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&

T公司于1984年推出的DSP32.与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。

1986年，该公司推出了定点处理器MC56001.1990年推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。

美国模拟器件公司（AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片。

自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。

从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns降低到10ns以下，处理能力提高了几十倍。

DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。

DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。

2. 国内外发展现状

2.1国内发展现状

随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。

DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。

全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备，取得了很多研究成果。

我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。

以我国某电子技术研究所研制的DSP雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSP21060和大规模可编程器件构成通用处理模块。

通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理。

以FFT算法为例，将任务分为3个流水处理过程：

FFT、复数乘法、IFFT，实现多片DSP组成并行处理。

在33MHz时钟下，1024点处理通过时间为0.7ms，可以实现单通道数据率为1MHz，双通道并行工作为2MHz。

国内的某大学所研制的基于TMS320C6201的高速实时数字信号处理平台，实现基-2的复数FFT，允许输入数据的动态范围16-bit，可以实现59μs内完成512点的FFT，130μs内可以完成1024点的FFT。

但是，应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距。

而且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口，这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。

复杂的大型处理机PCB板级设计和制造也存在一定困难，也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神，继续的刻苦努力。

2.2国际发展现状

国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。

欧美等科技大国保持着国际领先的地位。

例如美国DSPresearch公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。

我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。

以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理能力，同时集成了8片32MB的SDRAM，数据吞吐600MB/s。

该公司另一款处理板4294集成了4片MotorolaMPC7410G4PowerPC处理器，工作频率400/500MHz，两级缓存256K×

64bit，最高具有16MB的SDRAM。

ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。

以英国TranstechDSP公司的TP-P36N为例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟250MHz，具有6～12GFLOPS的处理能力。

DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。

在以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。

在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。

随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。

3DSP的主要特点及其平台

3.1主要优点

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此除具有数字处理的全部特点外，相对其他处理器还有突出优点：

3.1.1精度高

模拟网络中元件（R。

L。

C等）精度很难达到10—3以上，而16位数字系统可以达到10—5的精度，定点DSP芯片字长16位，CALU（中央算术逻辑单元）和累加器32位，浮点DSP芯片字长32位，累加器40位；

3.1.2可靠性强

DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，稳定性好，同时，由于DSP系统对采用大规模集成电路的故障率也远比采用分立元件构成的模拟系统的故障率低；

3.1.3集成度高

DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，在DSP系统中，由于DSP芯片、CPLD、FPGA等都是高集成度的产品，加上采用表面贴装技术．体积得以大幅度压缩；

3.1.4接口方便以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的,系统接口方便；

3.1.5灵活性好

模拟系统的性能受元器件参数性能变化大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；

3.1.6保密性好DSP系统隐蔽内部总线地址变化，做成ASIC保密性能几乎无懈可击：

3.1.7时分复用可使用一套DSP系统分时处理几个通道的信号。

3.2TIDSP平台及其应用

世界上没有完美的处理器，DSP不是万能的。

DSP器件的特点使得它特别适合嵌入式的实时数字信号处理任务。

3.2.1实时的概念实时的概念

实时的定义因具体应用而异。

一般而言，对于逐样本（sample-by-sample）处理的系统，如果对单次样本的处理可以在相邻两次采样的时间间隔之内完成，我们就称这个系统满足实时性的要求。

即：

tproess>

tsample，其中，tproess代表系统对单次采样样本的处理时间，tsample代表两次采样之间的时间间隔。

举例来说，某个系统要对输入信号进行滤波，采用的是一个100阶的FIR滤波器，即。

假设系统的采样率为1KHz，如果系统在1ms之内可以完成一次100阶的FIR滤波运算，我们就认为这个系统满足实时性的要求。

如果采样率提高到10KHz，那么实时性条件也相应提高，系统必须在0.1ms内完成所有的运算。

需要注意，tproess还应当考虑各种系统开销，包括中断的响应时间，数据的吞吐时间等。

正确理解实时的概念是很重要的。

工程实现的原则是“量体裁衣”，即从工程的实际需要出发设计系统，选择最合适的方案。

对于DSP的工程实现而言，脱离系统的实时性要求，盲目选择高性能的DSP器件是不科学的，因为这意味着系统复杂度、可靠性设计、生产工艺、开发时间、开发成本以及生产成本等方面不必要的开销。

从这个角度而言，即使系统开发成功，整个工程项目可能仍然是失败的。

3.2.2嵌入式应用嵌入式应用

嵌入式应用对系统成本、体积和功耗等因素敏感。

DSP器件在这些方面都具有可比的优势，因此DSP器件特别适合嵌入式的实时数字信号处理应用。

反过来，对于某一个具体的嵌入式的实时数字信号处理任务，DSP却往往不是唯一的，或者是最佳的解决方案。

越来越多的嵌入式RISC处理器开始增强数字信号处理的功能；

FPGA厂商为DSP应用所做的努力一直没有停止过；

针对某项特定应用的ASIC/ASSP器件的推出时间也越来越快。

开发人员面临的问题是如何根据实际的应用需求客观地评价和选择处理器件。

以媒体处理应用为例，现行的国际标准较多，包括MPEG1/2/4、H261/3/4等，各种标准在一段时间内共存，新的标准还在不断涌现。

如果系统设计需要兼顾实现性能和多标准的适应性，DSP可能是一个较好的选择。

但是，如果应用比较固定，对价格又特别敏感，采用专用的ASIC芯片可能就会更加合适。

3.2.3.算法是DSP应用的核心

算法是DSP应用的核心算法是DSP随着DSP器件的发展，DSP系统开发的主要工作已经转向软件开发，软件开发将占据约80％的工作量，必须引起足够的重视。

另外，在目前的现状条件下，算法是我们核心知识产权的主要体现，也是产品竞争力的主要因素。

因此算法是DSP应用的核心。

4DSP在数学图像处理的应用

4.1数字图像处理简介

图像处理技术发展到今天，已经被应用到工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等多个学科，并成为这些学科获取信息的重要来源及利用信息的重要手段，所以图像处理科学己经成为与国计民生紧密相连的一门应用科学。

图像处理技术研究的重点在于图像处理算法和系统结构，随着计算机、集成电路等技术的飞跃发展，图像处理技术在这两方面都取得了长足的发展。

但随着图像信息数据量的增大，图像处理算法复杂度的提高，图像处理技术依然面临着许多挑战性的问题，具体可概括为图像处理的网络化、复杂问题的求解与处理速度的高速化，可以通过选择合适的图像处理平台以及恰当的图像处理算法来解决这些挑战性的问题。

图像处理技术最初是在采用高级语言编程在计算机上实现的，后来还在计算机中加入了图像处理器

（GPU），协同计算机的CPU工作，以提高计算机的图形化处理能力。

在大批量、小型化和低功耗的要求提出后，图像处理平台依次出现了基于VLSI技术的专用集成电路芯片（（ASIC）和数字信号处理器（（DSP），近年来，随着EDA技术的发展以及FPGA（Field-ProgrammableGateArray,现场可编程门阵列）技术的提高，越来越多的厂家和科研机构将FPGA作为图像处理技术实现的主要平台，以提高图像处理系统的性能。

FPGA是在PAL,GAL,CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

4.2数字图像处理的硬件平台

数字图像处理的发展是和计算机、集成电路等技术的发展密切相关的，曾经作为数字图像处理平台的有:

计算机、专业集成电路、DSP芯片和FPGA，下面将按时间的顺序予以介绍。

从1946年到1964年，计算机分别进入了“电子管计算机时代，和“晶体管计算机时代”，这个时代的计算机才能称之为现代计算机，特别是进入“晶体管计算机时代”后，由于晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。

第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。

接着，高级语言FORTRAN语言和COBOL语言相继开发出来并被广泛使用。

这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。

第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。

所以，虽然数字图像处理起源于20世纪20年代，但真正意义上的发展开始于20世纪50年代。

随着集成电路的发展，计算机进入中小规模集成电路计算机时代及大规模集成电路计算机时代，这个时代中计算机通常作为非实时图像处理平台和图像管理工作站平台，后来为了提高计算机的图形化处理能力，在计算机中加入GPU协同CPU工作，但GPU仅仅是对CPU若干指令的加速，并不是实际意义上的并行化处理，其实时图像处理能力还是较弱。

为了解决实时图像处理，降低单件图像处理设备的成本，图像处理设备生产商开始使用集成电路生产图像处理专用芯片，利用集成电路技术生产的图像处理专用芯片，其优势在于:

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。

超大规模集成电路（VLSI）的今天，大批量的图像处理专用芯片ASIC（专用集成电路）与ASSP（专用标准产品）仍占据着很大的市场份额。

在小批量的图像处理系统中，使用专用芯片成本太高，研发周期太长，所以需要使用合适的微处理器予以取代，DSP的出现解决了这方面的问题。

DSP（DigitalSignalProcessor,数字信号处理器），是一种具有特殊结构的微处理器，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

从上世纪80年代末直至现在，DSP一直作为小批量的图像处理系统的处理器，用来实现如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等图像处理。

随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像技术近年来得到了极大的重视和长足的发展，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信等方面取得了广泛的应用。

同时，人们对计算机视频应用的要求也越来越高，从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，实时图像处理技术在目标跟踪、机器人导航、辅助驾驶、智能交通监控中都得到越来越多的应用。

由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，实时的应用环境决定严格的帧、场时间限制，因此实时图像处理系统必须具有强大的运算能力。

各种高性能DSP不仅可以满足在运算性能方面的需要，而且由于DSP的可编程性，还可以在硬件一级获得系统设计的极大灵活性。

5发展趋势

5.1DSP在数字图像处理应用的发展趋势

DSP芯片具有较高的指令处理速度，但处理图像数据的能力还是有限的，所以只适用于小批量、低数据处理量的图像处理系统中。

一直以来，大多的科研机构及公司将FPGA作为图像处理系统研发时的临时平台。

在产品化之后，FPGA往往被ASIC或ASSP代替。

当然也有些图像系统设备的批量产品中装备有FPGA，但这些FPGA往往被用作“辅助芯片（companionchip）"

。

虽然高性能FPGA的电路规模和性能正在逼近采用90rim工艺的ASIC，但目前高性能FPGA芯片的单价是几千元，和基于标准单元的ASIC相比高出很多，因此FPGA在大批量的图像处理系统中应用还存在成本方面的问题。

另外，FPGA设计时考虑到其通用性，在内置DSP模块以及高速IO接口等方面功能比较齐全，对于某个特定的图像处理设备而言，有些功能未被使用，出现了浪费的现象。

通过上面的讨论可以知道，具体概括为:

PC作为通用平台在小批量的非实时图像处理系统中仍有应用，ASIC或ASSP在大批量的图像处理系统中仍占据着很大的市场份额，但有被FPGA取代的趋势，DSP在高速图像处理领域已经逐渐被取代，FPGA随着工艺的发展已逐渐成为主流的图像处理平台。

5.2DSP发展趋势

DSP在其发展道路上不断满足人们日益提高的要求．正在逐渐朝向个人化和低功耗化方向发展，因此，DSP发展的前景是非常可观的。

5.2.1系统级集成DSP是潮流

缩小DSP芯片尺寸始终是DSP技术的发展方向。

当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。

各DSP制造商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。

5.2.2可编程DSP是主导产品

可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。

生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品．以满足不同用户的需求，同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。

5.2.3定点DSP是主流

从理论上讲虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电量小。

因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。

据统计，目前销售的DSP器件中的绝大多数属于16位定点可编程DSP器件．预计今后的比重将逐渐增大。

5.2.4追求更高的运算速度

目前，一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算一亿条指令。

由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度才能跟上电子设备的更新步伐。

DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。

当前DSP器件大都采用0.5m051,zmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。

6结论

DSP在数字图像处理方面的应用可能有被取代的趋势。

但DSP在图像处理方面还会得到应用。

例如FPGA内嵌DSP模块等。

随着DSP功能的不断提高，DSP在数字图像处理方面还会得到进一步的发展。

整体来看，DSP应用在通讯领域、数字影音的产品将越来越普及，使得相关市场需求越来越大，未来DSP市场竞争将越趋激烈。

虽然目前DSP的主要应用产品的市场都是由国际半导体大厂所控制，但是我国在政策的扶植下，本土厂商积极投入研发资源，以消费性产品作为进入DSP市场的一个敲门砖，也必将在DSP市场上争得一席之地。

参考文献

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SummaryofDSPApplication

JianlongXia

（OceanUniversityofChina,CollegeofInformationScienceandEngineering,TelecommunicationandInformationSystem266100）

Abstract:

Digitalsignalprocessing（DSP）iswidelyusedinmanydisciplinesinvolvedinmanyareasofemergingdisciplines.Itisathroughtheuseofmathematicalskillsexecutionconversionorextractinformation,todealwithrealsignalmethod,thesesignalsbydigitalsequencesaid.Thispaperoutlinesthedevelopmentofdigitalsignalprocessingtechnology,processes,analyzestheDSPprocessor,applicationstatusinDigitalImageProcessing,introducedthelatestdevelopmentsinDSP,digitalsignalprocessingtechnologyforthefuturedevelopmentprospects.

Keywords