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。各種接口邏輯與時序控制通過在FPGA器件內(nèi)部編程實現(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，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)實現(xiàn)，其實時性較差，資源利用率低，在高速、實時的圖像處理領(lǐng)域中難以滿足實際要求。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)計程序中對運行時間影響不大的模塊，用匯編語言設(shè)計嚴格要求實時性的核心算法。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。

    當系統(tǒng)復(fù)位后，DSP執(zhí)行Bootload引導(dǎo)程序，并將程序入口點設(shè)置到c_int00處，DSP/BIOS應(yīng)用程序從該處開始運行，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，需要首先對圖像進行濾波處理，然后采用自適應(yīng)閾值的辦法將目標從背景中提取出來，并利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法進一步去噪處理，最后完成對圖像中目標的統(tǒng)計測量計算。
    首先，利用中值濾波進行圖像平滑，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，便于進一步的圖像分割處理。
    由于光源光照強度的影響，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小；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行線性插值，就可以得到對原圖中每個像素進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，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，W_A為目標概率，μ_a為目標的平均灰度，W_B為背景概率，μ_b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。
    為了實現(xiàn)對顯微圖像中目標的數(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區(qū)域進行標記歸類的算法^[7]。首先對二值圖像的目標區(qū)域從左到右、自上而下進行掃描，若為目標點，則對其加以標記，并根據(jù)八連通原則將屬于同一個顆粒的目標圖像賦予相同的數(shù)值。標記歸類算法示意圖如圖4所示。由于目標的幾何形狀是不規(guī)則的，一次掃描不能夠把所有目標全部區(qū)分開來，因此要對二值圖像進行多次掃描。圖4(a)表示二值圖像（黑色區(qū)域為目標，白色為背景），圖4(b)為對目標區(qū)域的一次標記，圖4(c)為最后標記完成的結(jié)果。其中，數(shù)字1表示1號目標，數(shù)字2表示2號目標。從圖4可以看出，1號目標的標記經(jīng)過一次掃描就能夠完成，而2號目標則需要二次掃描方可完成標記。目標圖像經(jīng)過標記歸類后就可以很方便地對目標的數(shù)目及直徑、面積和周長等特征進行測量了。

3 實驗結(jié)果
    為了驗證系統(tǒng)的可靠性，對來自顯微鏡下的油膜顆粒圖像進行了大量的采集處理與統(tǒng)計測量實驗。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，但是經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換后已經(jīng)能夠準確地進行顆粒的統(tǒng)計計算。

    在統(tǒng)計測量過程中，面積小于3個像元的目標被當作噪聲干擾而略去不計，只對面積大于等于3個像元的目標加以統(tǒng)計。為了便于進一步的分析和比較，將目標按像元數(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行了統(tǒng)計計算，結(jié)果如表1所示。實驗中，在DSP芯片TMS320VC5416工作在最大工作頻率160MHz時，程序的運行時間約為15ms。由于視頻采集為PAL制，一場圖像時間為20ms，因此能夠達到實時性要求。