??? 摘? 要: 探討了應(yīng)用PCI總線主控I/O加速器PLX9054開發(fā)PCI總線的圖像傳輸" title="圖像傳輸">圖像傳輸卡,該卡完成了與TMS320C6701數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的圖像識(shí)別" title="圖像識(shí)別">圖像識(shí)別與跟蹤處理板的實(shí)時(shí)序列圖像傳輸,利用TMS320C6701實(shí)現(xiàn)了不變矩特征對(duì)目標(biāo)的識(shí)別,同時(shí)完成了對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測和實(shí)時(shí)跟蹤。經(jīng)實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果。?
??? 關(guān)鍵詞: PCI總線? 圖像識(shí)別? 圖像跟蹤? TMS320C6701?
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??? 在沒有紅外探測器或其它圖像采集設(shè)備的條件下,可以先開發(fā)基于PCI總線的圖像處理" title="圖像處理">圖像處理平臺(tái),由計(jì)算機(jī)模擬圖像的生成并完成圖像的高速傳輸,以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,使系統(tǒng)靈活、實(shí)用、便于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用美國TI公司的新一代高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6701(以下簡稱C6701)研制了實(shí)時(shí)圖像識(shí)別與跟蹤處理平臺(tái),利用不變矩進(jìn)行圖像識(shí)別,采用質(zhì)心跟蹤方案,獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。充分發(fā)揮了C6701強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力,并為后續(xù)的研究提供了很好的軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。?
1 C6701數(shù)字信號(hào)處理器簡介?
??? C6701芯片內(nèi)有8個(gè)并行處理單元,分為相同的兩組。采用甚長指令字VLIW結(jié)構(gòu),使C6701成為高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片。其單指令字長為32b,8個(gè)指令組成一個(gè)指令包,總字長為256b。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊,可以將每個(gè)256b指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元,8個(gè)單元可同時(shí)運(yùn)行。芯片的最高時(shí)鐘頻率達(dá)到167MHz,此時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算處理能力可達(dá)到1GFLOPS。外部存儲(chǔ)器接口EMIF支持8/16/32b數(shù)據(jù)寬度的各種類型的同步、異步存儲(chǔ)器,便于系統(tǒng)擴(kuò)展。C6701片內(nèi)有64KB的數(shù)據(jù)RAM和64KB的程序RAM;片外存儲(chǔ)空間分為4個(gè)區(qū)(CE0、CE1、CE2、CE3);有4個(gè)相互獨(dú)立的可編程DMA通道,還有第五個(gè)DMA通道可與HPI接口。?
2 PCI9054的主要特點(diǎn)及應(yīng)用?
??? PCI09054是美國PLX公司生產(chǎn)的一種32b 33MHz的PCI總線主控I/O加速器。采用先進(jìn)的PLX流水線結(jié)構(gòu);符合PCI本地總線規(guī)范2.2版,突發(fā)傳輸速率達(dá)到132MB/s;本地總線復(fù)用/非復(fù)用的32b地址/數(shù)據(jù)線,有 M、J、C三種工作模式,但C模式的數(shù)據(jù)和地址總線是非復(fù)用的;支持8b、16b、32b外圍設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備,本地總線操作速率高達(dá)50MHz;內(nèi)部有6種可編程的FIFO,可實(shí)現(xiàn)零等待的突發(fā)傳輸及本地總線時(shí)鐘和PCI總線時(shí)鐘的異步操作,支持主模式、從模式和DMA傳輸模式。PCI9054是一種性價(jià)比高的PCI橋接芯片。?
??? 圖1給出了PCI總線接口連接圖,使用2K的ST93CS56串行EEPROM作為PCI9054的配置芯片,圖中雙口" title="雙口">雙口RAM可設(shè)計(jì)成32b、16b或8b。PLX9054工作在C模式下。本地總線晶振為30MHz,經(jīng)過測試PLX9054工作在從模式單字節(jié)讀寫的情況下,本地總線速度已達(dá)12MB/s。根據(jù)實(shí)際圖像傳輸需要(圖像大小為256×256,深度為8b的灰度圖像)幀頻為25幀/s,已經(jīng)滿足需要。為了再提高傳輸速度,PLX9054可以開發(fā)成突發(fā)或DMA傳輸方式。使用CPLD(Xilinx的XC95108)完成PCI9054到雙口RAM的譯碼電路,本地地址空間可尋址大小為1MB,1MB的本地地址空間映射為地址00000000H～000fffffH,PCI總線的地址空間(計(jì)算機(jī)自動(dòng)分配)為ef100000H～ef1fffffH,同時(shí)要求PCI基址空間2(對(duì)應(yīng)寄存器PCIBAR2)映射到本地地址空間0(對(duì)應(yīng)寄存器LAS0BA),即LAS0RR寄存器設(shè)為fff00000H,LAS0BA寄存器設(shè)為00000001H。其中,LAS0BA的最低位置成“1”,表示PCI直接從模式訪問本地地址空間0,使能譯碼;寫“0”則禁止使能。PCIBAR2的值為ef100000H。?
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??? 利用WinDriver6.01驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具生成PCI圖像傳輸卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序代碼,用VisualC++6.0編寫應(yīng)用程序,完成圖像處理版與PC機(jī)之間的高速率的圖像序列傳輸。?
3 圖像處理板硬件設(shè)計(jì)?
??? 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。圖像處理板以DSP C6701為核心,C6701主要負(fù)責(zé)圖像處理,包括對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤,并給出最終的跟蹤角誤差。源圖像通過PCI接口卡傳入圖像處理板的兩片雙口RAM,兩片雙口RAM采用乒乓式存儲(chǔ)。即為了保證圖像處理的實(shí)時(shí)性,當(dāng)一片RAM接收數(shù)據(jù)時(shí),另一片RAM為DSP提供圖像處理的數(shù)據(jù)。SDRAM用作DSP RAM的擴(kuò)展,存儲(chǔ)圖像處理的中間結(jié)果。圖像處理后的方位與俯仰角度數(shù)據(jù)通過82C52轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),再經(jīng)DS8921轉(zhuǎn)換成RS-422電平,送給系統(tǒng)的后續(xù)電路。
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??? FPGA選用Altera公司的APEXEP20K200,完成整個(gè)圖像處理板的譯碼邏輯,并承擔(dān)部分圖像處理功能。APEXEP20K200門數(shù)為20萬門,采用串行配置時(shí)必須使用兩片EPC2。FPGA配置在C6701的CE0空間。FLASH選用4Mb的AM29LV040,用作DSP BootLoader加載程序時(shí)的8b ROM,只能配置在CE1空間,因?yàn)镃6701只有CE1空間可以與8b/16b的“窄存儲(chǔ)器”接口。SDRAM的容量為4M×32b,配置在CE2空間。兩片雙口RAM為CY7C028V,容量為64K×16b,都配置在CE3空間,地址分別譯為0x03000000和0x03040000。C6701的BOOTMODE[4:0]=01101,即存儲(chǔ)器映射方式為MAP1、8bitROM加載、地址0處的存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)為DSP內(nèi)部程序RAM。?
4 軟件算法?
??? 圖像由計(jì)算機(jī)經(jīng)PCI卡傳到圖像處理板的雙口RAM后,DSP對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,包括圖像校正、圖像濾波,之后進(jìn)行圖像分割" title="圖像分割">圖像分割和識(shí)別。當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)時(shí)設(shè)置跟蹤波門,則后續(xù)圖像序列在波門內(nèi)進(jìn)行跟蹤。本系統(tǒng)識(shí)別的目標(biāo)為高空飛行的飛機(jī)圖像,采用的識(shí)別算法要求具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例的識(shí)別特征不變性,同時(shí)要求跟蹤速度快。?
4.1 圖像分割?
??? 圖像分割的目的是將圖像目標(biāo)和背景分割開來,從而知道目標(biāo)的大致位置。目前已有各種各樣的方法,其中簡單有效的方法是直方圖分割法中的最大距離法(類間方差門限法)。它的基本思想是:在直方圖取值范圍內(nèi),任一灰度級(jí)可將直方圖分為左右兩部分,如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大,則該灰度級(jí)就取為分割門限。這種分割技術(shù)可由如下公式描述:?
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處的概率。分割的準(zhǔn)則是將D(l′)為最大值的灰度級(jí)l′?
作為圖像分割的門限值。圖像中凡是灰度值大于分割門限的像點(diǎn),均認(rèn)為是背景中的點(diǎn);反之,則認(rèn)為是潛在目標(biāo)區(qū)域中的點(diǎn)。這種分割方法可以精確地找到分割門限,提取目標(biāo)。?
4.2 圖像識(shí)別?
??? 圖像經(jīng)過分割后,接下來就要對(duì)目標(biāo)圖像識(shí)別。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用一組特征參數(shù)對(duì)區(qū)域的本質(zhì)特征進(jìn)行有效的描述。適當(dāng)?shù)剡x擇特征是很重要的,因?yàn)樵谧R(shí)別目標(biāo)時(shí)它是唯一的依據(jù)。圖像的識(shí)別特征有各種各樣的描述,如目標(biāo)形狀、大小、統(tǒng)計(jì)分布等。這里使用仿射矩不變量和分散度特征來識(shí)別目標(biāo),取得了較好的效果。?
??? 對(duì)于經(jīng)過分割(二值)處理的數(shù)字圖像f(x,y),可以定義(p+q)階矩:?
??? f(x,y)惟一地確定一個(gè)矩序列{mpq},反之,矩序列{mpq}也唯一確定f(x,y)。在此利用公式(4)的5個(gè)幾何矩不變量[4],再加上分散度特征一起代入目標(biāo)匹配公式[2]進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。?
??? 此5個(gè)不變矩對(duì)目標(biāo)區(qū)域的平移(T)、旋轉(zhuǎn)(R)和區(qū)域的比例大小(S)保持不變。?
4.3 目標(biāo)跟蹤與軌跡預(yù)測?
??? 識(shí)別出目標(biāo)后,根據(jù)目標(biāo)確定跟蹤波門大小,在跟蹤波門內(nèi)進(jìn)行跟蹤,波門的大小采用自適應(yīng)設(shè)置。常用的跟蹤算法有波門跟蹤、圖像匹配跟蹤和多模跟蹤算法,考慮到背景較簡單,采用基于公式(1)的質(zhì)心跟蹤方案。把波門的中心G(xG,yG)和目標(biāo)質(zhì)心T(xT,yT)的偏差作為跟蹤誤差,通過RS-422接口輸出給后續(xù)處理板來實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤。?
??? 在跟蹤過程中,目標(biāo)的位置按照自身的運(yùn)動(dòng)方式不斷變化著,同時(shí)目標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)被遮擋的情況。此時(shí),需要對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測,可以采用基于最小二乘法的綜合預(yù)測器來預(yù)測[2],認(rèn)為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以是直線和二次曲線的某種組合。即?
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W為權(quán)函數(shù)(0≤W≤1)。?
??? 權(quán)函數(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)測得的平方預(yù)測器的誤差而實(shí)時(shí)構(gòu)成。當(dāng)平方預(yù)測器誤差較大時(shí),則增大權(quán)值,否則減小權(quán)值。線性和平方預(yù)測器的記憶點(diǎn)數(shù)N的選取要視具體工作情形而定。當(dāng)特征量的變化不是太快時(shí),N值應(yīng)選得稍大些,這樣也有利于抑制噪聲的干擾;若特征量變化甚快,則N應(yīng)選用較小的值。一般選擇N≤5,當(dāng)N=2時(shí),線性預(yù)測有利于跟上機(jī)動(dòng)性較高的目標(biāo);當(dāng)N=5時(shí),預(yù)測的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡比較平滑,有較強(qiáng)的抗干擾能力。?
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?
??? 采用256×256大小、深度為8b的連續(xù)150幀灰度圖像進(jìn)行試驗(yàn),達(dá)到跟蹤速度為25幀/s的實(shí)時(shí)跟蹤效果,整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、靈活且易于擴(kuò)展。圖3給出了跟蹤的結(jié)果。?
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參考文獻(xiàn)?
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4 王耀明. 圖像的矩函數(shù)原理、算法及應(yīng)用. 上海:華東理工大學(xué)出版社,2002?
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