利用多核Blackfin處理器實(shí)現(xiàn)基于攝像頭的交通標(biāo)志識(shí)別

引言

　　汽車(chē)行業(yè)對(duì)于基于攝像頭的駕駛員輔助系統(tǒng)的需求在不斷增長(zhǎng)。交通標(biāo)志識(shí)別是一個(gè)正在受到人們高度重視的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樗赏纳岂{駛員和乘客在公路行駛過(guò)程中的安全性。交通標(biāo)志識(shí)別目前仍是一種高端選項(xiàng)，需要政府和領(lǐng)先的汽車(chē)廠商們聯(lián)手進(jìn)行推廣，才能開(kāi)辟大規(guī)模的市場(chǎng)。它是圖像識(shí)別技術(shù)的一個(gè)實(shí)例，可以應(yīng)用到車(chē)輛和工業(yè)設(shè)計(jì)的多個(gè)方面。交通標(biāo)志識(shí)別建立在模式識(shí)別算法基礎(chǔ)上，這些算法目前已經(jīng)很好地為機(jī)器視覺(jué)方面的專(zhuān)家們所掌握。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，即使對(duì)于先進(jìn)的通用處理器而言，經(jīng)典的模式識(shí)別算法就已經(jīng)足以讓其應(yīng)接不暇。對(duì)于這種類(lèi)型的信號(hào)處理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇一種可以有效應(yīng)對(duì)特定計(jì)算和I/O操作挑戰(zhàn)的處理器架構(gòu)是非常有利的，這些挑戰(zhàn)是在尋找交通信號(hào)圖像的過(guò)程中所涉及的連續(xù)視頻流處理所固有的。關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，算法的代碼實(shí)現(xiàn)必須能夠保證盡可能高的速度和效率。

　　本文詳細(xì)介紹了一種基于攝像頭的交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ADI公司低功耗、低成本的嵌入式DSP—Blackfin處理器為核心。我們將展示一種高效率的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用濾波器模塊算法來(lái)實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)志識(shí)別的應(yīng)用。文中對(duì)各種結(jié)果進(jìn)行了比較，并給出為了能更好地利用現(xiàn)有計(jì)算性能而可以采取的步驟。

基于攝像頭的駕駛員輔助系統(tǒng)

　　基于攝像頭的典型模式識(shí)別系統(tǒng)由視頻攝像頭和顯示器組成，它們都連接到處理器的I/O接口上，處理器則控制著系統(tǒng)的運(yùn)行，并執(zhí)行所需的信號(hào)處理功能。系統(tǒng)往往需要外接SDRAM，為從輸入視頻流中提取道路標(biāo)志信息的視頻處理功能提供所需的存儲(chǔ)器空間。圖1示出了該典型系統(tǒng)的方框圖。雖然在最終應(yīng)用中不一定會(huì)部署顯示器，但它有助于進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)和演示。

　　領(lǐng)先的汽車(chē)廠商將高品質(zhì)的CMOS圖像傳感器用作駕駛員輔助系統(tǒng)的視頻信號(hào)源。目前，大多數(shù)攝像頭都可以捕捉VGA尺寸(640×480像素)的灰度圖像，并具有10比特的灰階深度。幀速率一般達(dá)到了30幀/s，CMOS傳感器的靈敏度使其既適用于低光照環(huán)境和夜間，也適用于艷陽(yáng)高照和有光線直射的情況。未來(lái)的應(yīng)用將需要具有更大的幀尺寸和色彩分辨能力的傳感器。在本文的示例中，攝像頭提供彩色圖像，該圖像以亮度/色度 YUV差分圖像格式傳送。大多數(shù)傳感器是由一個(gè)外部時(shí)鐘發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)一條寬度達(dá)10比特的同步并行數(shù)據(jù)總線提供圖像數(shù)據(jù)。兩路附加的信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)行寬度和場(chǎng)高度的同步。

TFT顯示

　　LCD TFT顯示器在汽車(chē)儀表板上已經(jīng)十分常見(jiàn)，它需要系統(tǒng)提供RGB圖像數(shù)據(jù)。每個(gè)顯示器的像素都需要3基色(紅、綠和藍(lán))的輸入數(shù)值。捕捉和顯示之間圖像格式的不匹配在視頻系統(tǒng)中是很常見(jiàn)的現(xiàn)象，在RGB和YUV格式之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的色彩空間變換算法也已經(jīng)廣為人知。圖2示出TFT顯示器與處理器之間的連接。

多核嵌入式處理器加速信號(hào)處理

　　本文中的駕駛員輔助系統(tǒng)所采用的中央處理器是Blackfin BF561。Blackfin架構(gòu)是針對(duì)信號(hào)和圖像處理應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，可以提供算術(shù)和邏輯單元(ALU)，它允許指令流在不同數(shù)據(jù)上并行執(zhí)行。正如在引言部分所提到的那樣，由于具有高效率的信號(hào)處理指令集和硬件功能特色，專(zhuān)為信號(hào)處理應(yīng)用設(shè)計(jì)的處理器可以確保濾波和模式匹配算法能夠高效率和靈活地運(yùn)行。BF561 Blackfin是一款雙核處理器，具有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的處理器內(nèi)核，因此可為應(yīng)用提供約兩倍的計(jì)算能力。

　　我們已經(jīng)提到了用作捕捉和顯示視頻接口的并行I/O 端口。此外，Blackfin處理器提供了大量的其他接口，如用作普通系統(tǒng)級(jí)接口的I2C和NAND FLASH接口，以及用于在特定應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)行的接口，比如汽車(chē)系統(tǒng)中經(jīng)常用到的CAN總線和MOST總線。

軟件架構(gòu)

　　我們用軟件架構(gòu)一詞來(lái)概括對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的軟件。它是指包括了系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的控制代碼。該控制代碼配置系統(tǒng)的所有接口，按預(yù)定的順序調(diào)用所需要的濾波器模塊，啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳送，并同步那些暫?；蚍磸?fù)處理的事件。

處理器內(nèi)核

　　處理器內(nèi)核運(yùn)行控制軟件并執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。每個(gè)Blackfin處理器內(nèi)核都擁有兩個(gè)算術(shù)和邏輯單元(ALU)，最多允許同時(shí)執(zhí)行4項(xiàng)計(jì)算。讀、寫(xiě)操作用于從存儲(chǔ)器中檢索出計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果保存下來(lái)。下面示出了一條寬度最大的指令。該指令可以同時(shí)在每個(gè)內(nèi)核上都執(zhí)行兩次獨(dú)立的乘法，以及隨后進(jìn)行的加法和兩次載入操作。

　　R4.l=(A0+=R0.l*R1.l), R4.h=(A1+=R0.h*R1.h) || R0=[I0++] || R1=[I1++];

　　如果由于地址沖突，該最大寬度指令無(wú)法被調(diào)用，則可以執(zhí)行該并行化指令的一部分。下面是幾個(gè)例子：

　　R4.l=(A0+=R0.l*R1.l), R4.h=(A1+=R0.h*R1.h) || R0=[I0++] || NOP
　　MNOP || R0=[I0++] || R1=[I1++];
　　A0+=R0.l*R1.l || R0.l=w[I0++] || R1.l=w[I1++];

　　可以并行執(zhí)行的操作種類(lèi)舉不勝舉，但需要考慮硬件實(shí)現(xiàn)方面的相互制約。