基于TMS320DM642的光電目標跟蹤視頻采集與處理系統(tǒng)設(shè)計

周傳璘 ，肖永軍，蘇貴坡，曾慶棟

（1.孝感學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.中國人民解放軍61491部隊，河南 許昌 461131）

責任編輯:任健男

1 引言

視頻目標跟蹤是當前計算機視覺中非常活躍的一個研究領(lǐng)域，廣泛用于如機載、艦載、對空檢測等場合的軍用目標。視頻目標跟蹤是采用重心、形心或灰度等處理方法，結(jié)合目標識別理論，對各種視頻目標進行跟蹤與識別處理。而視頻圖像處理技術(shù)（采集、處理及輸出）是目標跟蹤中一個重要分支。在傳統(tǒng)的視頻處理方案中，視頻采集及處理主要由分立元件構(gòu)成，電路復(fù)雜、可靠性差。隨著半導(dǎo)體及集成電路技術(shù)發(fā)展，許多集成度高，功能強大的視頻編解碼芯片日漸主宰應(yīng)用市場。TMS320DM64X系列DSP具有多種視頻外設(shè)接口，無需復(fù)雜的外圍電路，即可與大多數(shù)視頻編解碼芯片無縫連接。根據(jù)項目實際需求，筆者以TMS320DM642為核心，搭配一些外圍視頻編解碼芯片（如SAA7113H和SAA7126H）和其他芯片，設(shè)計了光電目標跟蹤視頻的采集及處理系統(tǒng)，用于采集及處理由CCD輸出的25 f/s的視頻流，結(jié)合一定算法，提取出目標存在情況下的光斑坐標位置信息，通過異步串行口將坐標信息輸出，為下一級控制電路提供依據(jù)。

2 TMS320DM642概述[1-3]

TMS320DM642（簡稱DM642）是TI公司推出的一款針對多媒體處理應(yīng)用的定點DSP。C6000系列CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，其程序總線與數(shù)據(jù)總線分開，取指令與執(zhí)行指令可以并行運行。主要由程序取指、分配及譯碼單元、2個對稱的數(shù)據(jù)通路（A和B）、2個對稱的通用寄存器組、2組對稱的功能單元（每組4個）、控制寄存器組和控制邏輯以及中斷邏輯等組成。主要具有以下特點:

1）600 MHz時鐘頻率，4800 MI/s（兆指令/秒）的處理能力。

2）改進的超長指令字（VLIW）DSP核，CPU內(nèi)包含了64個32位的通用寄存器和8個功能單元。

3）1056 kbyte的片內(nèi)存儲器，可構(gòu)成兩級Cache結(jié)構(gòu)（包括程序Cache和數(shù)據(jù)Cache）。

4）2個外部存儲器接口，即1個64位寬度（EMIFA）和 1個 16位寬度 （EMIFB）。 支持與同步存儲器（SDRAM，SBSRAM，ZBTSRAM）和非同步存儲器（SRAM，EPROM，F(xiàn)lash等）的無縫接口。增強的DMA控制器（EDMA），具有64個獨立的DMA通道。

5）3個多通道緩沖串行口（McBSP），3個32位通用計時器（Timer），16 個通用 I/O 引腳（GPIO），3.3 V I/O，1.2 V或1.4 V內(nèi)核電壓。

6）3個可配置的VP（視頻）端口，可靈活配置成視頻捕獲或視頻輸出和TSI（傳輸流接口）模式。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)以DM642為核心，由CCD攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)視頻解碼器SAA7115芯片轉(zhuǎn)換為BT.656格式的數(shù)字信號，送入DM642進行處理。一方面將處理后的視頻圖像寫入輸出幀緩沖FIFO中，控制視頻編碼芯片SAA7121將其轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC標準制式的模擬電視信號輸出。另一方面通過一定的算法處理，提取出目標位置信息，并通過RS－232串口，將數(shù)據(jù)輸出。由一片CPLD實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的管理，協(xié)調(diào)各芯片的工作時序，并進行Flash分頁、邏輯控制和相關(guān)寄存器配置等。

圖1 基于DM642的系統(tǒng)框圖

3.2 外部存儲器模塊[4]

因為DM642作為統(tǒng)一程序/數(shù)據(jù)空間的第2級緩存，空間僅為256 kbyte，需要通過EMIF接口外擴SDRAM以增加系統(tǒng)的存儲空間。該系統(tǒng)的SDRAM選用MT48LC4M32B2，其主要特點為:同步訪問，讀寫操作需要時鐘；動態(tài)存儲，芯片需要定時刷新。動態(tài)存儲器中同步技術(shù)的應(yīng)用，使得芯片的讀寫速度從以前的60～70 ns減少到目前的6～7 ns，非常適用于圖像處理等需要大容量存儲器的應(yīng)用場合。

DM642的EMIF可以靈活地設(shè)置SDRAM地址的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括列地址數(shù)目（頁的大小）、行地址數(shù)目（每個bank中頁的數(shù)量）以及存儲體的數(shù)量（打開的頁面數(shù)量）。通過設(shè)置上述參數(shù)，DSP最多能夠同時激活SDRAM中4個不同頁，這些頁可以集中在一個CE空間中，也可以跨越多個CE空間，一個存儲體一次只能打開一頁。C64x的EMIF還支持SDRAM的自刷新模式，并采用LRU（Least Recently Used）的頁面置換策略，可以提供更高的接口性能。圖2為C64x EMIFA與64 Mbit SDRAM的接口模式。

圖2 C64x EMIFA與SDRAM的接口模式

3.3 視頻輸入輸出模塊

DM642有3個視頻端口外圍設(shè)備。這些視頻端口外設(shè)可作為視頻采集端口，視頻顯示端口，或作為傳輸流接口采集端口（TSI）。視頻端口由A和B兩個通道組成，兩個通道之間存在一個可分開的5120 byte的采集/顯示緩沖區(qū)。整個端口經(jīng)常被配置成只進行視頻采集或者視頻顯示。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計中，使用兩個視頻端口，其中可再分的視頻端口0連接SAA7115HL解碼器用作視頻輸入端口，該口通過一個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（CCD攝像機），視頻端口2連接視頻編碼器SAA7121作為視頻輸出至電視機顯示。DM642與SAA7115和SAA7121的連接接口見圖3，DM642對視頻編解碼芯片的控制均采用I2C總線進行編程實現(xiàn)。

圖3 DM642與編解碼芯片接口

4 視頻處理算法

軟件系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖4所示。系統(tǒng)上電初始化后，開始接收CCD視頻圖像，對輸入圖像進行加權(quán)均值濾波的預(yù)處理，以濾除圖像噪聲，接著進行自適應(yīng)閾值分割，以求出最佳閾值，并對目標進行判斷。如果符合光斑需求，認為目標存在，并按照一定算法計算目標位置信息，最終輸出有效的目標位置信息；如果目標不存在，則直接輸出某一特定信息。

圖4 系統(tǒng)算法執(zhí)行流程

4.1 加權(quán)均值濾波

圖像的預(yù)處理有多種的濾波方法，如中值濾波、均值濾波和加權(quán)均值濾波等。加權(quán)均值濾波是對均值濾波的改進，對于鄰域內(nèi)距當前像素越近的點，其加權(quán)系數(shù)就越大，則像素的加權(quán)值就最大。該算法對信標光斑邊緣具有較強的保留能力，在一定程度上克服了均值濾波濾除噪聲的同時使得目標邊緣模糊化嚴重的缺陷，且算法較為簡單，本系統(tǒng)中采用該算法進行圖像預(yù)處理。

圖像選取3×3的鄰域，為避免除法運算，濾波算法采用下式計算

式中:“<<”表示左移；“>>”表示右移；f（x，y）為輸入至濾波器的原始圖像；g（x，y）為處理后圖像。

4.2 自適應(yīng)閾值分割

圖像的自適應(yīng)閾值分割法是指通過對圖像進行逐像素掃描并將像素標記為對象或背景來實現(xiàn)對圖像的分割，對像素的標記取決于像素灰度級大于還是小于閾值T[5]。算法的實現(xiàn)步驟如下:

1）求出圖像中最小和最大的灰度值Z1和Zk，令閾值初值 T0=（Z1+Zk）/2。

2）根據(jù)閾值Tk將圖像分割成目標和背景兩部分，求出兩部分的平均灰度值ZO和ZB

式中:f（i，j）是圖像上（i，j）點的灰度值；N（i，j）是（i，j）點的權(quán)重系數(shù)。

3）求出新的閾值 Tk+1=（ZO+ZB）/2。

4）如果Tk=Tk+1或≤ε（ε為一較小的值），則結(jié)束，否則k←k+1，轉(zhuǎn)到步驟2）重新計算。

4.3 目標光斑質(zhì)心提取

DM642需要完成的最核心的工作就是對視頻進行目標光斑的位置信息提取，常用的光斑中心提取方法有很多，如質(zhì)心定位法、形心定位法、峰值定位法、匹配定位法和投影中心法[4-7]。不同的定位方法得到位置精度也不一樣，文獻[7]對各種方法進行了討論。因質(zhì)心定位法充分反映了目標的能量分布狀況，在理想的情況下定位精度小于0.05個像素，且適用的光斑半徑范圍大?；诖耍瑸楸苊庥嫈?shù)溢出的問題發(fā)生，筆者選用了改進的質(zhì)心定位算法[6]。

若目標區(qū)域為，則質(zhì)心的位置為

式中:xi，j和 yi，j分別為目標區(qū)域中像元（i，j）的橫縱坐標；f（i，j）為像元（i，j）的灰度值；T 為像素閾值。

5 實驗測試與分析

為驗證系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件處理算法的有效性，進行了相關(guān)的測試實驗。通過CCD采集約25 s、共500幀的模擬視頻圖像，經(jīng)DM642處理后送入計算機上的視頻采集卡保存視頻圖像，并利用計算機的異步串行口（SCI）接收并提取DM642輸出的具有一定格式的數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)送入Matlab中繪圖，圖5為計算機視頻采集到的經(jīng)過DM642視頻端口2輸出回顯的視頻照片，光斑平均灰度值為250，背景平均灰度值為140，圖6為經(jīng)DM642輸出的目標坐標隨時間的變化數(shù)據(jù)曲線。

6 小結(jié)

圖5 DM642處理后輸出的視頻圖像

圖6 DM642輸出的光斑坐標

視頻圖像跟蹤是目前較為活躍的一個研究領(lǐng)域，而視頻圖像采集及目標位置信息提取成敗是整個跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵。筆者以DM642為核心，設(shè)計了視頻圖像采集及處理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件算法處理，分別介紹了加權(quán)均值濾波、自適應(yīng)閾值分割、質(zhì)心提取算法，最后進行了系統(tǒng)采集CCD模擬圖像提取目標光斑坐標的實驗。經(jīng)實驗證實，該系統(tǒng)工作可靠，能在一定背景干擾下穩(wěn)定提取目標信息。本文的創(chuàng)新點是采用“TMS320DM642+編解碼芯片”對CCD輸入模擬圖像采集、處理，并應(yīng)用一系列算法在一定背景干擾下成功提取出目標坐標位置信息，通過串口發(fā)送。

[1]李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]劉瓊，安濤，金鋼，等.基于DM642視頻采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].微計算機信息，2007，23（2）:180-182.

[3]王躍宗，劉京會.TMS320DM642 DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[4]TICompany.TMS320DM642 video imaging fixed-point digital signal processor data manual[EB/OL].[2010-03-21].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm642.pdf.

[5]李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[6]李曉峰，羅彤，鄧科.采用CCD的空間光通信光斑位置提取重心算法的分析及實驗[J].光通信技術(shù)，2004（6）:13-15.