基于TI TM320DM642的仿生眼視覺圖像處理系統(tǒng)
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近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開展了大量對(duì)視頻圖像處理系統(tǒng)的研究，主要是針對(duì)一定范圍內(nèi)的靜、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控或跟蹤，并應(yīng)用于智能車輛檢測(cè)、視頻監(jiān)控、人臉識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等方面。如文獻(xiàn)[3]成功設(shè)計(jì)了一個(gè)基于視覺的低空跟蹤系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]成功設(shè)計(jì)一個(gè)基于視頻圖像處理的車輛流量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。調(diào)查研究表明，國(guó)內(nèi)外嵌入式機(jī)載視頻圖像處理系統(tǒng)的核心處理器多采用DSP、FPGA或者ARM來(lái)處理海量的圖像數(shù)據(jù)。其主要采用的結(jié)構(gòu)有單片高性能DSP、FPGA+DSP結(jié)構(gòu)及ARM+FPGA+DSP結(jié)構(gòu)等。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種單DSP的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種FPGA+DSP結(jié)構(gòu)的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于DSP+FPGA+ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)代表了目前嵌入式視頻圖像處理系統(tǒng)的基本類型和主要成果。隨著數(shù)字信號(hào)處理器的高速發(fā)展，針對(duì)視頻和圖像解決方案而設(shè)計(jì)的高性能數(shù)字多媒體處理器TMS320DM642在實(shí)時(shí)視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，根據(jù)仿生眼對(duì)圖像處理性能的實(shí)際要求，可以采用基于單片高性能DSP結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)的仿生眼嵌入式機(jī)載視頻圖像處理系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM642高性能數(shù)字多媒體處理器作為核心處理器，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集圖像、實(shí)時(shí)處理圖像、實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)信息、實(shí)時(shí)顯示等功能，具有針對(duì)性強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、集成度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)經(jīng)典Prewitt算法及其改進(jìn)算法的驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)運(yùn)算量大、數(shù)據(jù)傳輸率高以及實(shí)時(shí)性的要求。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以TM320DM642為核心，由4個(gè)部分組成：視頻采集、圖像處理、視頻輸出、串口通信。系統(tǒng)流程如圖1所示。首先CCD攝像頭采集的視頻圖像，經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片轉(zhuǎn)化為便于DSP處理的視頻碼流；然后在DSP中設(shè)計(jì)合適的視頻圖像處理算法，分割、識(shí)別出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并計(jì)算出目標(biāo)的位置參數(shù)；最后將位置參數(shù)通過(guò)串口發(fā)送給眼動(dòng)控制模塊。同時(shí)利用視頻編碼芯片編碼DSP輸出的視頻碼流，送到顯示器實(shí)時(shí)顯示，便于人機(jī)交互。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為6個(gè)模塊：視頻采集模塊、圖像處理模塊、視頻輸出模塊、串口通信模塊、電源時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
1.2.1 TMS320DM642圖像處理模塊
TMS320DM642是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，它是TI公司推出的一款專用于數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32 bit定點(diǎn)DSP，具有豐富的外設(shè)接口和高速的處理能力，是目前實(shí)時(shí)視頻處理領(lǐng)域性價(jià)比較高的芯片[8]。DM642最高主頻達(dá)600 MHz，并行處理指令最高可達(dá)每個(gè)指令周期處理8條32 bit指令，最大指令處理速度為4 800 MIPS。DM642的高性能主要體現(xiàn)在采用了二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)和64 bit的EDMA控制器，使其在沒(méi)有CPU參與的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，大大提高了程序的運(yùn)行效率[9]。因此，為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性[10]，采用EDMA傳輸是必要之舉。此外，DM642具有豐富的外圍接口，其3個(gè)可配置的視頻口可以與視頻編解碼芯片進(jìn)行無(wú)縫連接；片內(nèi)64 bit的EMIF接口可以與SDRAM、FLASH 等存儲(chǔ)器無(wú)縫連接；利用I2C還可以方便地控制外圍器件等。
該模塊的主要功能是將輸入的BT.656格式的視頻信號(hào)進(jìn)行中值濾波、圖像分割等預(yù)處理，然后通過(guò)目標(biāo)識(shí)別算法計(jì)算目標(biāo)位置參數(shù)，最后將結(jié)果通過(guò)串口模塊實(shí)時(shí)地送給眼動(dòng)控制模塊，眼動(dòng)控制模塊再結(jié)合仿生控制率對(duì)眼球進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于系統(tǒng)采用EDMA傳輸，大大保證了圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。CPU的開銷主要用于圖像處理的識(shí)別算法上。
1.2.2 視頻圖像采集模塊
視頻圖像采集模塊由CCD攝像頭XL-3130CP4和視頻解碼芯片TVP5150組成，用于實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。DM642具有3個(gè)視頻口，每個(gè)視頻口包括A、B 2個(gè)通道，每個(gè)通道均可配置為輸入或輸出口。本系統(tǒng)將VP0A配置成視頻輸入，VP1A配置成視頻輸出。CCD采集的視頻信號(hào)采用PAL制式，即：分辨率為720×576，幀頻為25幀/s。通過(guò)TVP5150視頻解碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)(YUV4：2：2)，輸出格式為ITU-R BT.656，輸入到VP0A口。DM642支持BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數(shù)據(jù)流無(wú)縫連接。視頻編解碼器與DSP的連接框圖如圖3所示。
TVP5150的配置是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線完成的。I2C標(biāo)準(zhǔn)總線由串行數(shù)據(jù)輸入/輸出線(SDA)和時(shí)鐘輸入/輸出線(SCL)組成。TVP5150作為從設(shè)備，TMS320DM642作為I2C總線的主設(shè)備。主設(shè)備初始化TVP5150配置的寫操作步驟如下：(1)DSP產(chǎn)生一個(gè)起始條件；(2)DSP發(fā)出一個(gè)TVP5150的地址(0xBA或0Xb8)，并表明寫操作，等待TVP5150響應(yīng)；(3)接收到TVP5150的響應(yīng)后，DSP發(fā)出要配置寄存器地址，等待TVP5150響應(yīng)；(4)接收TVP5150的響應(yīng)后，發(fā)送要配置的數(shù)據(jù)，等待TVP5150響應(yīng)；(5)接收到TVP5150響應(yīng)后，發(fā)送停止位，結(jié)束一次配置。
1.2.3 視頻圖像輸出模塊
視頻輸出模塊由視頻編碼器SAA7121和顯示器組成。SAA7121支持PAL/NTSC格式的視頻編碼，輸入支持BT.656格式的數(shù)字視頻，輸出為一路復(fù)合視頻(CVBS)和一路超級(jí)視頻(S-Video)。SAA7121的配置也是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線完成的，并且只能作為從設(shè)備。顯示器用于實(shí)時(shí)顯示視頻圖像信息，便于人機(jī)交互。
1.2.4 串口通信模塊
串口通信部分包括TL16C752B和MAX3160。采用TL16C752B作為通用異步收發(fā)器(UART)，采用MAX3160將UART接口配置成RS232接口電平標(biāo)準(zhǔn)，用于為眼動(dòng)控制器傳遞參數(shù)。該模塊是視覺識(shí)別系統(tǒng)與眼動(dòng)控制模塊的接口，所傳遞的參數(shù)是目標(biāo)偏離圖像中心的位置信息，眼動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整眼球運(yùn)動(dòng)，確保目標(biāo)位于圖像中心。因此，該參數(shù)是整個(gè)眼球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的前提。
1.2.5 外部存儲(chǔ)模塊
外部存儲(chǔ)模塊包括SDRAM和FLASH 2種。TMS320-DM642通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMIFA訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器。EMIFA是一個(gè)64 bit的接口，可以實(shí)現(xiàn)與多種同步和異步存儲(chǔ)器的無(wú)縫連接。系統(tǒng)中，DM642的CE0子空間被作為64 bit的SDRAM接口，SDRAM選用HY57V283220T芯片，用于緩存待處理的圖像數(shù)據(jù)；CE1子空間被配置為8 bit的FLASH接口，F(xiàn)LASH選用Am29LV033C芯片，用于存儲(chǔ)DSP的固化程序和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。
評(píng)論