基于DM642数字信号处理器的波前编码解码系统

摘要

波前编码解码系统是一种光学编码和数字解码的两步成像系统，可获得传统光学成像系统无法达到的超大景深，提高系统的成像质量。通过在光学系统的光瞳面上引入一块特别设计的相位板，在像面上得到对相当大范围景深不敏感的中间模糊像，再利用数字图像恢复算法进行图像恢复，最终得到清晰的输出图像。这项技术无论是在军事上、还是在民用上，都具有非常广阔的应用前景。
　　 本论文首次在嵌入式平台上实现了波前编码解码系统。根据空域光学成像模型，将反镜像边界条件与双共轭梯度平方稳定算法相结合，以DM642数字信号处理器为平台核心，实现了波前编码解码系统。
　　 本文着重在硬件电路和算法实现两个方面进行了阐述。
　　 首先，设计实现了波前编码解码系统的硬件电路。整个电路系统包括DSP核心电路模块、外围存储器电路模块、视频采集电路模块、视频显示电路模块，以及电源管理和时钟模块。完成的重要工作有:以Texas Instruments的媒体数字信号处理器为系统核心，完成电路核心部分的设计;分别使用FLASH与SDRAM作为系统的程序存储器和数据存储器，扩展存储空间;以CMOS为光电转换器件，完成视频采集电路的设计;使用Texas Instruments的DVI发送芯片实现视频显示电路的设计;使用DC-DC芯片完成供电电路的设计;使用电源监控芯片和时钟管理芯片完成电源管理电路和时钟电路的设计;完成6层高速数字信号PCB板布线设计。
　　 其次，详细地讨论了基于反镜像边界条件的双共轭梯度平方稳定算法。该算法是一种基于克雷洛夫子空间的迭代算法，非常适合求解非对称矩阵方程。同传统的图像恢复算法相比，该算法大大降低了计算量，能够得到更好的恢复效果。实验证明，在反镜像边界条件下，该算法具有计算速度快，恢复效果好的优点，同时有效地抑制了图像边缘和物体边缘的振铃效应。
　　 最后，我们通过一个大景深的波前编码实际系统给出了实验结果。实验结果表明，基于DM642硬件的波前编码解码系统具有恢复效果好，速度快、运行稳定等优点。为波前编码解码系统的真正便携化和实用化提供了可能。
　　 更值得一提的是，我们设计的波前编码解码系统的硬件部分，可以扩展为一个多功能图像处理平台。通过配置不同型号的透镜、CMOS，搭配不同的图像处理算法，该装置几乎不需要改动就可以应用于多种场合。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 引言

1．1 景深延拓与波前编码

1．2 图像恢复

1．3 课题研究的国内外现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题研究的目标与内容

第2章 波前编码系统方案设计

2．1 整体方案设计

2．2 数字信号处理器选型

2．2．1 DM642内核简介

2．2．2 DM642的视频口简介

2．3 光学系统设计

2．4 数据传输与存储

2．4．1 数据传输

2．4．2 数据存储

第3章 硬件电路设计

3．1 DSP电路设计

3．1．1 DM642复位时的配置

3．2 外部存储模块

3．2．1 DM642的EMIFA接口

3．2．2 S29AL032D芯片

3．2．3 FLASH与DM642的连接

3．2．4 MT48LC16M16A2芯片

3．2．5 SDRAM与DM642的连接

3．3 CMOS视频采集模块

3．3．1 CMOS传感器简介

3．3．2 MT9M111与DM642的连接

3．4 DVI视频显示模块

3．4．1 DVI发送芯片

3．4．2 TFP410与DM642的连接

3．5 电源管理模块

3．5．1 电源需求分析

3．5．2 DC-DC原理

3．5．3 电源方案设计

3．5．4 复位及时钟电路

3．6 硬件系统PCB设计

3．6．1 BGA扇出

3．6．2 SDRAM布线

3．6．3 DC-DC布线

第4章 波前编码空间域解码的软件实现

4．1 数学基础

4．1．1 结构矩阵

4．1．2 边界条件

4．1．3 直积分解

4．1．4 奇异值分解

4．2 基于反镜像边界条件的双共轭梯度平方稳定算法

4．3 双共轭梯度平方稳定算法的软件实现

第5章 实验结果与展望

5．1 镜头的光学参数

5．2 PSF的获取

5．3 实验结果

5．3．1 模拟结果

5．3．2 实际结果

第6章 总结与展望

参考文献

附录 系统PCB分层图

攻读硕士学位期间发表的论文