基于TMS320DM642的光電目標(biāo)跟蹤視頻采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周傳璘 ，肖永軍，蘇貴坡，曾慶棟

（1.孝感學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.中國(guó)人民解放軍61491部隊(duì)，河南 許昌 461131）

責(zé)任編輯:任健男

1 引言

視頻目標(biāo)跟蹤是當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)中非常活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域，廣泛用于如機(jī)載、艦載、對(duì)空檢測(cè)等場(chǎng)合的軍用目標(biāo)。視頻目標(biāo)跟蹤是采用重心、形心或灰度等處理方法，結(jié)合目標(biāo)識(shí)別理論，對(duì)各種視頻目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與識(shí)別處理。而視頻圖像處理技術(shù)（采集、處理及輸出）是目標(biāo)跟蹤中一個(gè)重要分支。在傳統(tǒng)的視頻處理方案中，視頻采集及處理主要由分立元件構(gòu)成，電路復(fù)雜、可靠性差。隨著半導(dǎo)體及集成電路技術(shù)發(fā)展，許多集成度高，功能強(qiáng)大的視頻編解碼芯片日漸主宰應(yīng)用市場(chǎng)。TMS320DM64X系列DSP具有多種視頻外設(shè)接口，無(wú)需復(fù)雜的外圍電路，即可與大多數(shù)視頻編解碼芯片無(wú)縫連接。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，筆者以TMS320DM642為核心，搭配一些外圍視頻編解碼芯片（如SAA7113H和SAA7126H）和其他芯片，設(shè)計(jì)了光電目標(biāo)跟蹤視頻的采集及處理系統(tǒng)，用于采集及處理由CCD輸出的25 f/s的視頻流，結(jié)合一定算法，提取出目標(biāo)存在情況下的光斑坐標(biāo)位置信息，通過(guò)異步串行口將坐標(biāo)信息輸出，為下一級(jí)控制電路提供依據(jù)。

2 TMS320DM642概述[1-3]

TMS320DM642（簡(jiǎn)稱DM642）是TI公司推出的一款針對(duì)多媒體處理應(yīng)用的定點(diǎn)DSP。C6000系列CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，其程序總線與數(shù)據(jù)總線分開(kāi)，取指令與執(zhí)行指令可以并行運(yùn)行。主要由程序取指、分配及譯碼單元、2個(gè)對(duì)稱的數(shù)據(jù)通路（A和B）、2個(gè)對(duì)稱的通用寄存器組、2組對(duì)稱的功能單元（每組4個(gè)）、控制寄存器組和控制邏輯以及中斷邏輯等組成。主要具有以下特點(diǎn):

1）600 MHz時(shí)鐘頻率，4800 MI/s（兆指令/秒）的處理能力。

2）改進(jìn)的超長(zhǎng)指令字（VLIW）DSP核，CPU內(nèi)包含了64個(gè)32位的通用寄存器和8個(gè)功能單元。

3）1056 kbyte的片內(nèi)存儲(chǔ)器，可構(gòu)成兩級(jí)Cache結(jié)構(gòu)（包括程序Cache和數(shù)據(jù)Cache）。

4）2個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，即1個(gè)64位寬度（EMIFA）和 1個(gè) 16位寬度 （EMIFB）。 支持與同步存儲(chǔ)器（SDRAM，SBSRAM，ZBTSRAM）和非同步存儲(chǔ)器（SRAM，EPROM，F(xiàn)lash等）的無(wú)縫接口。增強(qiáng)的DMA控制器（EDMA），具有64個(gè)獨(dú)立的DMA通道。

5）3個(gè)多通道緩沖串行口（McBSP），3個(gè)32位通用計(jì)時(shí)器（Timer），16 個(gè)通用 I/O 引腳（GPIO），3.3 V I/O，1.2 V或1.4 V內(nèi)核電壓。

6）3個(gè)可配置的VP（視頻）端口，可靈活配置成視頻捕獲或視頻輸出和TSI（傳輸流接口）模式。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)以DM642為核心，由CCD攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)視頻解碼器SAA7115芯片轉(zhuǎn)換為BT.656格式的數(shù)字信號(hào)，送入DM642進(jìn)行處理。一方面將處理后的視頻圖像寫入輸出幀緩沖FIFO中，控制視頻編碼芯片SAA7121將其轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC標(biāo)準(zhǔn)制式的模擬電視信號(hào)輸出。另一方面通過(guò)一定的算法處理，提取出目標(biāo)位置信息，并通過(guò)RS－232串口，將數(shù)據(jù)輸出。由一片CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的管理，協(xié)調(diào)各芯片的工作時(shí)序，并進(jìn)行Flash分頁(yè)、邏輯控制和相關(guān)寄存器配置等。

圖1 基于DM642的系統(tǒng)框圖

3.2 外部存儲(chǔ)器模塊[4]

因?yàn)镈M642作為統(tǒng)一程序/數(shù)據(jù)空間的第2級(jí)緩存，空間僅為256 kbyte，需要通過(guò)EMIF接口外擴(kuò)SDRAM以增加系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。該系統(tǒng)的SDRAM選用MT48LC4M32B2，其主要特點(diǎn)為:同步訪問(wèn)，讀寫操作需要時(shí)鐘；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，芯片需要定時(shí)刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中同步技術(shù)的應(yīng)用，使得芯片的讀寫速度從以前的60～70 ns減少到目前的6～7 ns，非常適用于圖像處理等需要大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合。

DM642的EMIF可以靈活地設(shè)置SDRAM地址的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括列地址數(shù)目（頁(yè)的大小）、行地址數(shù)目（每個(gè)bank中頁(yè)的數(shù)量）以及存儲(chǔ)體的數(shù)量（打開(kāi)的頁(yè)面數(shù)量）。通過(guò)設(shè)置上述參數(shù)，DSP最多能夠同時(shí)激活SDRAM中4個(gè)不同頁(yè)，這些頁(yè)可以集中在一個(gè)CE空間中，也可以跨越多個(gè)CE空間，一個(gè)存儲(chǔ)體一次只能打開(kāi)一頁(yè)。C64x的EMIF還支持SDRAM的自刷新模式，并采用LRU（Least Recently Used）的頁(yè)面置換策略，可以提供更高的接口性能。圖2為C64x EMIFA與64 Mbit SDRAM的接口模式。

圖2 C64x EMIFA與SDRAM的接口模式

3.3 視頻輸入輸出模塊

DM642有3個(gè)視頻端口外圍設(shè)備。這些視頻端口外設(shè)可作為視頻采集端口，視頻顯示端口，或作為傳輸流接口采集端口（TSI）。視頻端口由A和B兩個(gè)通道組成，兩個(gè)通道之間存在一個(gè)可分開(kāi)的5120 byte的采集/顯示緩沖區(qū)。整個(gè)端口經(jīng)常被配置成只進(jìn)行視頻采集或者視頻顯示。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，使用兩個(gè)視頻端口，其中可再分的視頻端口0連接SAA7115HL解碼器用作視頻輸入端口，該口通過(guò)一個(gè)RCA類型的視頻插座和一個(gè)4針的低噪聲S－Video接口連接到視頻源（CCD攝像機(jī)），視頻端口2連接視頻編碼器SAA7121作為視頻輸出至電視機(jī)顯示。DM642與SAA7115和SAA7121的連接接口見(jiàn)圖3，DM642對(duì)視頻編解碼芯片的控制均采用I2C總線進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

圖3 DM642與編解碼芯片接口

4 視頻處理算法

軟件系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖4所示。系統(tǒng)上電初始化后，開(kāi)始接收CCD視頻圖像，對(duì)輸入圖像進(jìn)行加權(quán)均值濾波的預(yù)處理，以濾除圖像噪聲，接著進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割，以求出最佳閾值，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判斷。如果符合光斑需求，認(rèn)為目標(biāo)存在，并按照一定算法計(jì)算目標(biāo)位置信息，最終輸出有效的目標(biāo)位置信息；如果目標(biāo)不存在，則直接輸出某一特定信息。

圖4 系統(tǒng)算法執(zhí)行流程

4.1 加權(quán)均值濾波

圖像的預(yù)處理有多種的濾波方法，如中值濾波、均值濾波和加權(quán)均值濾波等。加權(quán)均值濾波是對(duì)均值濾波的改進(jìn)，對(duì)于鄰域內(nèi)距當(dāng)前像素越近的點(diǎn)，其加權(quán)系數(shù)就越大，則像素的加權(quán)值就最大。該算法對(duì)信標(biāo)光斑邊緣具有較強(qiáng)的保留能力，在一定程度上克服了均值濾波濾除噪聲的同時(shí)使得目標(biāo)邊緣模糊化嚴(yán)重的缺陷，且算法較為簡(jiǎn)單，本系統(tǒng)中采用該算法進(jìn)行圖像預(yù)處理。

圖像選取3×3的鄰域，為避免除法運(yùn)算，濾波算法采用下式計(jì)算

式中:“<<”表示左移；“>>”表示右移；f（x，y）為輸入至濾波器的原始圖像；g（x，y）為處理后圖像。

4.2 自適應(yīng)閾值分割

圖像的自適應(yīng)閾值分割法是指通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行逐像素掃描并將像素標(biāo)記為對(duì)象或背景來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割，對(duì)像素的標(biāo)記取決于像素灰度級(jí)大于還是小于閾值T[5]。算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:

1）求出圖像中最小和最大的灰度值Z1和Zk，令閾值初值 T0=（Z1+Zk）/2。

2）根據(jù)閾值Tk將圖像分割成目標(biāo)和背景兩部分，求出兩部分的平均灰度值ZO和ZB

式中:f（i，j）是圖像上（i，j）點(diǎn)的灰度值；N（i，j）是（i，j）點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)。

3）求出新的閾值 Tk+1=（ZO+ZB）/2。

4）如果Tk=Tk+1或≤ε（ε為一較小的值），則結(jié)束，否則k←k+1，轉(zhuǎn)到步驟2）重新計(jì)算。

4.3 目標(biāo)光斑質(zhì)心提取

DM642需要完成的最核心的工作就是對(duì)視頻進(jìn)行目標(biāo)光斑的位置信息提取，常用的光斑中心提取方法有很多，如質(zhì)心定位法、形心定位法、峰值定位法、匹配定位法和投影中心法[4-7]。不同的定位方法得到位置精度也不一樣，文獻(xiàn)[7]對(duì)各種方法進(jìn)行了討論。因質(zhì)心定位法充分反映了目標(biāo)的能量分布狀況，在理想的情況下定位精度小于0.05個(gè)像素，且適用的光斑半徑范圍大?；诖耍瑸楸苊庥?jì)數(shù)溢出的問(wèn)題發(fā)生，筆者選用了改進(jìn)的質(zhì)心定位算法[6]。

若目標(biāo)區(qū)域?yàn)?，則質(zhì)心的位置為

式中:xi，j和 yi，j分別為目標(biāo)區(qū)域中像元（i，j）的橫縱坐標(biāo)；f（i，j）為像元（i，j）的灰度值；T 為像素閾值。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件處理算法的有效性，進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過(guò)CCD采集約25 s、共500幀的模擬視頻圖像，經(jīng)DM642處理后送入計(jì)算機(jī)上的視頻采集卡保存視頻圖像，并利用計(jì)算機(jī)的異步串行口（SCI）接收并提取DM642輸出的具有一定格式的數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)送入Matlab中繪圖，圖5為計(jì)算機(jī)視頻采集到的經(jīng)過(guò)DM642視頻端口2輸出回顯的視頻照片，光斑平均灰度值為250，背景平均灰度值為140，圖6為經(jīng)DM642輸出的目標(biāo)坐標(biāo)隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)曲線。

6 小結(jié)

圖5 DM642處理后輸出的視頻圖像

圖6 DM642輸出的光斑坐標(biāo)

視頻圖像跟蹤是目前較為活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域，而視頻圖像采集及目標(biāo)位置信息提取成敗是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵。筆者以DM642為核心，設(shè)計(jì)了視頻圖像采集及處理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件算法處理，分別介紹了加權(quán)均值濾波、自適應(yīng)閾值分割、質(zhì)心提取算法，最后進(jìn)行了系統(tǒng)采集CCD模擬圖像提取目標(biāo)光斑坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)工作可靠，能在一定背景干擾下穩(wěn)定提取目標(biāo)信息。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是采用“TMS320DM642+編解碼芯片”對(duì)CCD輸入模擬圖像采集、處理，并應(yīng)用一系列算法在一定背景干擾下成功提取出目標(biāo)坐標(biāo)位置信息，通過(guò)串口發(fā)送。

[1]李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]劉瓊，安濤，金鋼，等.基于DM642視頻采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（2）:180-182.

[3]王躍宗，劉京會(huì).TMS320DM642 DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[4]TICompany.TMS320DM642 video imaging fixed-point digital signal processor data manual[EB/OL].[2010-03-21].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm642.pdf.

[5]李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[6]李曉峰，羅彤，鄧科.采用CCD的空間光通信光斑位置提取重心算法的分析及實(shí)驗(yàn)[J].光通信技術(shù)，2004（6）:13-15.