基于FPGA的主從嵌入式圖像處理系統的設計與開發

郝 偉

（中國科學院長春光精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

隨著集成電路向著大規模、超大規模、甚大規模發展，數字圖像處理技術在硬件結構上的應用也發生了重大變化，特別是隨著DSP技術的飛速發展，目前帶有DSP處理器的實時圖像處理系統已經成為圖像處理的主流［1］。

1 系統硬件結構

根據某圖像跟蹤系統的基本功能要求所設計圖像跟蹤系統的硬件原理框圖如圖1所示。

系統中FPGA芯片采用V4系列中的XC4VFX20，主要完成對兩路圖像的數據分流，分流的一路通過FPGA驅動內嵌的MAC層內核與外部PHY控制芯片無縫接口，實現千兆網的圖像數據傳輸，分流的另一路FPGA用于進行圖像預處理，處理后的數據發送到DSP，由DSP進行圖像處理算法的實現。驅動并轉串模塊，用于實現與外部系統的實時通訊。DSP芯片——TMS320C6416，用于對圖像中目標的跟蹤算法的實現［2］。

1.1 FPGA功能

VIRTEX-4型FPGA（簡稱V4）是目前Xilinx主流的高端FPGA，是Virtex家族的第三個系列，也是全球第一個使用90nm工藝的高端FPGA。V4開創了FPGA根據應用領域細分結構的先河，我們這里使用的是V4系列中的FX系列的一款芯片，FX系列是V4中最高端的器件，是唯一擁有嵌入式PowerPC硬核、嵌入式千兆MAC硬核和RocketIO資源的V4，并且擁有最多的片上存儲器BlockRAM、最多的時鐘資源，以及平衡的邏輯、DSP性能和并行IO資源［3-4］。

1.2 DSP功能

本系統采用的是TI公司生產的TMS320C6416芯片。TMS320C6416系列的數字信號處理器，是美國TI公司于1997年推出的高端系列的DSPs。雖然該系列的DSP在芯片設計上，最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應用領域，但是，由于其優異的高速處理性能和出色的對外接口能力，因此，這種器件也很適合用于雷達聲納圖像處理、視頻測量跟蹤等領域。

圖1 圖像跟蹤系統硬件原理框圖

DSP的軟件編程和調試是通過聞亭公司的TDS510仿真器在Code Composer Studio（CCS）3.1環境下完成的。CCS支持ANSI C語言和匯編語言，本系統軟件代碼由C語言和線性匯編語言混合實現。CCS是TI公司推出的一個集成性DSP軟件開發工具，開發者可以進行軟件編輯、編譯、調試、代碼性能、代碼優化和項目管理等工作。

1.3 系統算法軟件的應用

軟件的主要任務是根據跟蹤處理器系統的硬件特點以及總體方案技術指標，完成對視頻信號的采集、數字圖像預處理以及對目標的識別跟蹤和脫靶量計算輸出。

圖2 遮擋目標跟蹤

據此，系統在軟件設計上采用多層算法結構：底層圖像預處理技術（中值濾波、直方圖統計），中層圖像特征提取技術（圖像灰度拉伸、Susan角點和SFIT特征提取），頂層目標特征匹配和目標跟蹤（模板匹配、SFIT特征匹配、模糊閾值分割、粒子濾波跟蹤），最終實現多模融合的目標識別與跟蹤［5］。

圖2所示為本系統在實際應用中的截圖。

2 結語

本文設計的硬件平臺滿足了跟蹤系統的需要，完成了序列圖像的實時采集，同時為實現各種實時圖像處理算法提供了良好的硬件平臺。設計中充分利用了FPGA等可編程器件以及FPGA內部可利用的硬件資源，提高了系統的集成度和可靠性，也簡化了系統的硬件設計。

在此基礎上，本文從軟件設計的角度出發討論了系統中基于DSP的圖像采集處理的算法軟件。經過實際工程項目驗證，本系統的設計是成功的。

［1］宋建中，王延杰.跟蹤測量電視系統［J］.光學精密工程，1995，3（5）:44-52.

［2］周宏仁，敬忠良，王培德.機動目標跟蹤［J］.北京：國防工業出版社，1991.

［3］裴鹿成，王仲奇.蒙特卡羅方法及其應用［M］.北京:北京海洋出版社，1998.

［4］Virtex-4 Family Overview.Xilinx Inc.，2006.

［5］Virtex-4 User’s Guide.Xilinx Inc.，2006.