基于TI TM320DM642的仿生眼視覺圖像處理系統(tǒng)
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近年來，國內(nèi)外開展了大量對視頻圖像處理系統(tǒng)的研究，主要是針對一定范圍內(nèi)的靜、動態(tài)場景進(jìn)行監(jiān)控或跟蹤，并應(yīng)用于智能車輛檢測、視頻監(jiān)控、人臉識別、目標(biāo)跟蹤等方面。如文獻(xiàn)[3]成功設(shè)計了一個基于視覺的低空跟蹤系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]成功設(shè)計一個基于視頻圖像處理的車輛流量實時檢測系統(tǒng)。調(diào)查研究表明，國內(nèi)外嵌入式機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)計了一種單DSP的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種FPGA+DSP結(jié)構(gòu)的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種基于DSP+FPGA+ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式實時圖像處理系統(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)字信號處理器的高速發(fā)展，針對視頻和圖像解決方案而設(shè)計的高性能數(shù)字多媒體處理器TMS320DM642在實時視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，根據(jù)仿生眼對圖像處理性能的實際要求，可以采用基于單片高性能DSP結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
本文設(shè)計的仿生眼嵌入式機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)實現(xiàn)了實時采集圖像、實時處理圖像、實時輸出目標(biāo)信息、實時顯示等功能，具有針對性強、電路簡單、集成度高、可靠性好等優(yōu)點。此外，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對經(jīng)典Prewitt算法及其改進(jìn)算法的驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實時圖像處理系統(tǒng)運算量大、數(shù)據(jù)傳輸率高以及實時性的要求。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以TM320DM642為核心，由4個部分組成：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)計合適的視頻圖像處理算法，分割、識別出運動目標(biāo)，并計算出目標(biāo)的位置參數(shù)；最后將位置參數(shù)通過串口發(fā)送給眼動控制模塊。同時利用視頻編碼芯片編碼DSP輸出的視頻碼流，送到顯示器實時顯示，便于人機交互。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件設(shè)計分為6個模塊：視頻采集模塊、圖像處理模塊、視頻輸出模塊、串口通信模塊、電源時鐘模塊、存儲模塊。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DSP，具有豐富的外設(shè)接口和高速的處理能力，是目前實時視頻處理領(lǐng)域性價比較高的芯片[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)在采用了二級緩存結(jié)構(gòu)和64 bit的EDMA控制器，使其在沒有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行效率[9]。因此，為提高系統(tǒng)實時性[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個可配置的視頻口可以與視頻編解碼芯片進(jìn)行無縫連接；片內(nèi)64 bit的EMIF接口可以與SDRAM、FLASH 等存儲器無縫連接；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格式的視頻信號進(jìn)行中值濾波、圖像分割等預(yù)處理，然后通過目標(biāo)識別算法計算目標(biāo)位置參數(shù)，最后將結(jié)果通過串口模塊實時地送給眼動控制模塊，眼動控制模塊再結(jié)合仿生控制率對眼球進(jìn)行實時控制。由于系統(tǒng)采用EDMA傳輸，大大保證了圖像傳輸?shù)膶崟r性。CPU的開銷主要用于圖像處理的識別算法上。
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，用于實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。DM642具有3個視頻口，每個視頻口包括A、B 2個通道，每個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采集的視頻信號采用PAL制式，即：分辨率為720×576，幀頻為25幀/s。通過TVP5150視頻解碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(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)生一個起始條件；(2)DSP發(fā)出一個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)和一路超級視頻(S-Video)。SAA7121的配置也是通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線完成的，并且只能作為從設(shè)備。顯示器用于實時顯示視頻圖像信息，便于人機交互。
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)，用于為眼動控制器傳遞參數(shù)。該模塊是視覺識別系統(tǒng)與眼動控制模塊的接口，所傳遞的參數(shù)是目標(biāo)偏離圖像中心的位置信息，眼動控制系統(tǒng)根據(jù)這個參數(shù)實時調(diào)整眼球運動，確保目標(biāo)位于圖像中心。因此，該參數(shù)是整個眼球運動系統(tǒng)的前提。
1.2.5 外部存儲模塊
外部存儲模塊包括SDRAM和FLASH 2種。TMS320-DM642通過外部存儲器接口EMIFA訪問片外存儲器。EMIFA是一個64 bit的接口，可以實現(xiàn)與多種同步和異步存儲器的無縫連接。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DSP的固化程序和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。
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