改進的基TMS320DM642的疲勞檢測系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：TMS320DM642；疲勞檢測；EDDDS；FPGA；OSD

駕駛員疲勞、睡眠不足是引發(fā)嚴重交通事故的重要誘因之一。統(tǒng)計表明，由于疲勞/瞌睡造成的交通事故在交通事故總數(shù)中占7%左右，在嚴重交通事故中占40%，而在重型卡車和高速路上的交通事故中則占到35%左右。因此許多國家對司機在駕駛中的“瞌睡”檢測的研究非常重視。為了適應(yīng)多媒體通信的發(fā)展，美國德州儀器公司推出了新一代數(shù)字多媒體處理器TMS320DM642（以下簡稱DM642）。它是TMS320C6000家族中性能最高的定點DSP，基于C64x CPU核，具有極強的處理能力、高度的靈活性和可編程性，同時又集成了音視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等外設(shè)，特別適用于多媒體通信應(yīng)用。DM642可廣泛應(yīng)用于基于IP的音視頻傳輸、數(shù)字視頻記錄、機器視覺、醫(yī)學成像、安全監(jiān)視、數(shù)字相機等領(lǐng)域。針對疲勞檢測算法中要求精確定位人眼并要求提高精度的人眼圖像的需求，筆者改進了前期設(shè)計平臺，采用雙CCD攝像頭捕獲駕駛員紅外濾波后的頭部圖像來實現(xiàn)疲勞檢測算法，一個攝像頭定位人臉，一個攝像頭定位人眼，建立了以DM642為核心處理器的實時圖像采集、處理和顯示平臺。

1 TMS320DM642簡介

TMS320DM642建立在C64x DSP核基礎(chǔ)上，采用德州儀器公司開發(fā)的第二代高性能超長指令字結(jié)構(gòu)VelociT1.2TM，其每個乘法在每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行2個16x16位的乘法或4個8x8位的乘法。TMS320DM642內(nèi)含6個算術(shù)邏輯單元，在每個時鐘周期內(nèi)都可執(zhí)行2個16位或4個8位的加減、比較、移動等運算。在600MHz的時鐘頻率下，DM642每秒可以進行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加。這樣強大的運算能力，使得DM642可以進行實時的多視頻處理和圖像處理。DM642還在C64x的基礎(chǔ)上增加了很多外圍設(shè)備和接口。其主要的結(jié)構(gòu)特征如下：

●600MHz/4800MIPS的工作頻率；

●兩級緩存結(jié)構(gòu)；

●64bit EMIF;

●64個EDMA通道；

●3個可配置的視頻接口，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流輸入無縫連接；

●VCXO內(nèi)插控制端口（VIC）；

●多通道音頻串行端口（McASP）；

●兩個多通道有緩存的串口（McBSP）；

●3個32bit通用定時器；

●用戶可配置的16bit或32bit的主端口接口（HPT16/HPT32）；

●66MHz 32bit PCI接口；

●10/100Mbps以太網(wǎng)（EMAC）；

●MDIO模塊

2 疲勞檢測系統(tǒng)概述

本設(shè)計系統(tǒng)的目的是檢測駕駛員是否疲勞，以避免因疲勞造成的交通事故。根據(jù)疲勞檢測算法中要精確定位人眼的要求，筆者對前期設(shè)計的系統(tǒng)進行了改進，采用了雙攝像頭采集數(shù)據(jù)。EDDDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，主要包括以下設(shè)備：

（1）兩個紅外線敏感的黑白CCD攝像機，在800~900nm處有較高的靈敏度。

（2）紅外線帶通濾波器。中心頻率為850nm，半帶寬為12nm，峰值通透率為83%。

（3）紅外光源。發(fā)光二極管的中心頻率為850nm，功率是10nW。

（4）云臺控制其中的一個攝像頭來跟蹤人眼。

構(gòu)成DDDS時還應(yīng)注意以下幾點：

（1）安裝的紅外光源應(yīng)和攝像機成一定的角度，以消除由于光源與攝像機距離過近造成“紅眼”現(xiàn)象，影響測量效果。

（2）應(yīng)使用固定波長的紅外光才能通過的紅外帶通濾光片，以濾除可見光影響，使白天和晚上成像效果相差不大。

（3）使用黑白的紅外攝像機，在800~900nm處有最好的成像效果。紅外光線對人的視覺沒有干擾。

（4）使用兩個攝像頭，一個定位人的臉，一個定位人的眼睛。這樣可以獲取更高分辨率的人眼圖像。

獲取較好的頭部圖像和人眼圖像是后續(xù)處理的保證，以上的方案會獲取亮瞳孔效果，這對眼睛的精確定位有極大的幫助。有了較好的圖像效果后就可以對圖像進行采集和處理。

3 疲勞檢測系統(tǒng)的電路實現(xiàn)

3.1 總體框圖

疲勞檢測實時采集處理系統(tǒng)由圖像采集、圖像處理和圖像輸出模塊構(gòu)成?；镜墓ぷ髟硎窍扔蒀CD采集經(jīng)過紅外濾波的連續(xù)的模擬信號，并經(jīng)過圖像采集模塊中的A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字圖像信號，然后再由圖像處理模塊對數(shù)字圖像信號進行運算處理，主要包括圖像的處理、圖像分割、特征提出、識別等算法的實現(xiàn)和通過輸出模塊顯示期望結(jié)果及報警等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

實時圖像處理系統(tǒng)設(shè)計的難點是如何在有限的時間內(nèi)完成大量圖像數(shù)據(jù)的處理。從人的視覺理論分析，只有圖像處理系統(tǒng)的處理速度達到每秒25幀以上時才能達到實時的效果，即要求實時圖像處理系統(tǒng)必須在40nm內(nèi)完成對一幀圖像的運算處理，才能保證圖像的實時性。TMS320DM642強大的功能可以很好地滿足上述要求。

3.2 圖像采集模塊設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，使用的圖像采集設(shè)備是CCD攝像頭。由于CCD攝像頭輸出的信號為模擬信號，不能被DSP直接處理，因此選用Philips公司的SAA7115型圖像解碼器來完成圖像的數(shù)字化以及同步水平和垂直同步等信號的分離。SAA7115是惟一可提供雙9位低噪音、2x過抽樣模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的視頻解碼器。SAA7115的信噪比為10~15dB，是同類產(chǎn)品中視頻解碼性能最高的。圖像采集模塊的電路圖如圖3所示。

TMS320DM642使用所有的三個視頻端口，為了擴展功能，設(shè)計時把視頻端口0和視頻端口1用作輸入端口，視頻端口2用作顯示端口?？稍俜值囊曨l端口0和視頻端口1用作捕獲輸入端口，并連接到SAA7115H解碼器。捕獲端口1通過一個RCA類型的視頻插座和一個4針的低噪聲S-Video接口連接到視頻源。輸入的必須是合成的視頻源，如DVD Player或視頻相機。SAA7115可通過TMS320DM642的I2C總線進行編程，并且可以連接所有的主要合成視頻標準，例如NTSC、PAL和SECAM，這些都可以通過解碼器的內(nèi)部寄存器進行適當?shù)木幊獭AA7115的輸入晶振頻率為24.576MHz，實際工作頻率為13.5MHz。在PAL制式下，一行最多能采集720點（不包括行消隱信號），一幀最多采集625行（包括場消隱信號）。SAA7115有多種功能供用戶選擇，功能的選定可以通過對寄存器的設(shè)置來完成。由于系統(tǒng)的研究對頭是256級灰度圖像，其輸入信號采用PAL制式，因此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處理的速度的具體要求，對SAA7115作如下配置：

（1）格式采用4：2：2 YUV信號機制，只取Y（亮度）信號。

（2）分辨率為512x256像紗或者256x256像素。

3.2 圖像處理模塊設(shè)計

TMS320DM642的結(jié)構(gòu)特片給設(shè)計帶來了很大的自由空間。在圖像處理模塊中，可以擴展數(shù)據(jù)存儲器和程序、存儲器。TMS320DM642的EMIF（外部寄存器端口）有4個獨立的可設(shè)定地址的區(qū)域，稱為芯片使能空間（CE0-CE3）。當Flash和FPGA映射到CE1時，SDRAM占據(jù)CE0。CE3的一部分被配置給OSD功能的同步操作和擴展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系統(tǒng)合并形成了一個64bit長的外部存器端口，將地址空間分割成了4個芯片使能區(qū)，允許對地址空間進行8bit、16bit、32bit和64bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能區(qū)CE0、CE1和CE3。CE0被發(fā)送給64bit的SDRAM總線，CE1被8bit的Flash和FPGA功能使用，CE3被設(shè)置成同步功能。

（1）SDRAM寄存器端口

在CE0空間連接了64bit的SDRAM總線。選取2片MT48LC4M32B2來構(gòu)成SDRAM。這32M的SDRAM空間用來存儲程序、數(shù)據(jù)和圖像處理中間結(jié)果等信息。總線由外部PLL驅(qū)動設(shè)備控制，在133MHz的最佳運行狀態(tài)下運行。SDRAM的刷新由TMS320DM642自動控制。

(2)Flash寄存器接口

本系統(tǒng)擴展4M的Flash，映射在CE1空間的低位。Flash寄存器選用4MX8的AM29LV033C。Flash寄存器主要用來導入裝載和存儲FPGA的配置信息。CE1空間被配置成8bit,Flash寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空間小于Flash的空間，所以利用FPGA可產(chǎn)生3個擴展頁。這些擴展的線形地址通過FPGA的Flash基礎(chǔ)寄存器進行定義，復位后的默認值是000。Flash寄存器端口如圖4所示。

（3）FPGA異步寄存器端口

本系統(tǒng)采用Xilinx XC2S300E系列FPGA來實現(xiàn)視頻增強和其他的一些連帶功能。在默認模式下，F(xiàn)PGA通過TMS320DM642的視頻端口2輸出視頻到SAA7115。視頻編碼器FPGA有10個定位在CE1空間高位的異步存儲寄存器。這些寄存器可實現(xiàn)OSD控制寄存器、DMA Threshold LSB寄存器、DMA Threshold MSB寄存器、中斷狀態(tài)寄存器、中斷使能寄存器、GPIO方位寄存器、GPIO狀態(tài)寄存器、LED寄存器和Flash Page寄存器。

（4）FPGA同步寄存器端口

FPGA在CE3地址空間開設(shè)同步寄存器。這些寄存器主要實現(xiàn)ODS功能和一些連接。

以上設(shè)計方案解決了視頻處理中需要大量的數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間的問題。假如要求圖像分辨率為640x480像素，每個采樣點的灰度層為8位，則1幀單色圖像所占的存儲空間為1MB，如果處理算法涉及到n幀圖像，存儲空間就為n倍。在疲勞檢測算法中需要存儲前后2幀圖像，那么32M的數(shù)據(jù)存儲器足夠使用而且可以做一些算法上的擴展。圖像處理模塊框圖如圖5所示。

3.4 圖像顯示模塊設(shè)計

TMS320DM642的視頻端口2用來驅(qū)動視頻編碼器。它通過FPGA發(fā)送以實現(xiàn)高級功能（如OSD）。該端口在默認方式下直接通過視頻連接到SAA7105視頻編碼器。這個編碼器可以進行RGB、HD合成視頻及NTSC、PAL復合視頻的編碼，也可對依靠SAA7105內(nèi)部寄存器進行編程的S-Video進行編碼。SAA74105的內(nèi)部編程寄存器通過DM642的I2C總線進行配置。圖像顯示模塊框圖如圖6所示。

HDTV、FPGA提供增強的時鐘，對于OSD功能，F(xiàn)PGA提供了FIFOs，將視頻端口2的數(shù)據(jù)與FIFOs端口的數(shù)據(jù)進行混合。FPGA的FIFOs在通過CE3空間的同步模式下，通過TMS320DM642的EMIF進行存取。

3.5 云臺控制模塊

采用通用的異步串口，接口標準可以由軟件配置為RS232/RS422/RS485，可以方便控制云臺。雙重的UART寄存器被映射在DM642的CE1空間的高位，隨同PGA異步寄存器一起。每一個UART，A和B產(chǎn)生8位的地址。DM642將CE1空間配置成為8位存取。表1顯示了地址值。

表1 UART地址

UART A通過MAX3243 RS-232驅(qū)動緩沖，發(fā)送到9針D型插針，UART B通過MAX3243 RS232驅(qū)動緩沖，發(fā)送到5X2雙排插針。針腳數(shù)和其相應(yīng)的信號對應(yīng)于個人計算機上的標準雙排DB-9連接器。

4 結(jié)束語

實現(xiàn)疲勞檢測是交通部門和駕駛員非常迫切的需求。本文設(shè)計的基于TMS320DM642的疲勞檢測系統(tǒng)改進了筆者前期設(shè)計的系統(tǒng)，采用了云臺控制其中一個攝像頭來捕捉人眼的圖像，提高了人眼圖像的分辨率，使之能更好的適合疲勞檢測算法的實現(xiàn)。在硬件性能方面，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)靈活、可靠性高、實時性強的特點，為實現(xiàn)視頻處理算法提供了一個硬件平臺。