一種基于TMS320C6713視頻處理系統(tǒng)

張宇航++董翔宇++王曉東

摘要：針對某型導彈模擬訓練裝置的需求，本文設計了一種基于TMS320C6713視頻采集綜合處理系統(tǒng)，通過攝像頭采集視頻圖像，以浮點DSP芯片TMS320C6713為核心處理器，采用高速FPGA芯片XC5VS95T實現(xiàn)邏輯控制技術，通過千兆網(wǎng)口送給某型導彈模擬訓練裝置并顯示。該視頻綜合處理系統(tǒng)易于操作，性能穩(wěn)定，功耗低。

關鍵詞：TMS320C6713 FPGA 視頻處理 導彈模擬訓練裝置

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0095-02

傳統(tǒng)的視頻圖像處理通常采用圖像采集卡，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后進行軟處理。這樣不僅不夠靈活，處理能力也受到PC軟件的限制。隨著數(shù)字信號處理器功能的提升，使得數(shù)據(jù)量與計算量較大的圖像硬處理成為可能。本文設計了一種基于TMS320C6713的視頻綜合處理系統(tǒng)，通過攝像頭采集視頻圖像，以浮點DSP芯片TMS320C6713為核心處理器，采用高速CPLD芯片EPM570實現(xiàn)邏輯控制。該視頻采集處理系統(tǒng)設計易于操作，性能穩(wěn)定，功耗低。

1 系統(tǒng)原理

整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，高速FPGA配置FLASH把配置文件加載到FPGA中。DSP由外部FLASH引導，通過FPGA先設置接口芯片的內部寄存器，再通過I2C總線設置攝像頭的控制寄存器。FPGA提供攝像頭的工作時序和圖像序列的讀寫時序。2片DPRAM作為攝像頭的數(shù)據(jù)存儲器，SDRAM則充當DSP的外部數(shù)據(jù)緩沖。處理后的圖像可以直接輸出至上位機進行顯示。

2 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由三部分構成：視頻采集模塊、視頻處理模塊和視頻傳輸模塊。

2.1 視頻采集模塊

采集電路由視頻緩沖器、視頻A/D轉換器和視頻同步分離電路等組成。

視頻緩沖器：來自攝像機的標準黑白全電視信號的幅度峰—峰值為1V，要送往A/D轉換器和行、場同步分離電路，而A/D轉換器的滿量程為2V，因此，視頻緩沖器要對全電視信號進行阻抗匹配和電壓放大，并能對全電視信號進行黑電平調整。

A/D轉換器采用專業(yè)芯片。為5V電源、8bit、20Msps的高速并行A/D轉換器，最大量程為2V。

同步分離電路能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號，輸出復合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號和色同步旗形脈沖信號。

采集流程可分為以下幾個步驟。

（1）等待場開始。

（2）當場開始信號到來時，進入場處理子程序，開放行中斷做好采集一場數(shù)據(jù)的準備。根據(jù)奇、偶場信號可以決定是采集奇場圖像還是采集偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像。

（3）當復俁同步信號到來時，進入中斷服務子程序，連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)存入擴展的數(shù)據(jù)存儲器中。當一場或一幀圖像各行數(shù)據(jù)都采集完畢后，關閉中斷。

DSP接收到場開始信號后進入場處理子程序中。在場處理子程序中，先確定將要采集的圖像的大小并設置采集、編碼及發(fā)送過程中要使用的參數(shù)，然后打開行采集中斷INT0，延時一定數(shù)目的行周期后退出場處理子程序，進入圖像采集階段。其A/D轉換時序圖如圖2所示。

2.2 視頻處理模塊

2.2.1 工作原理

該模塊是本系統(tǒng)的核心設計，工作原理如下：

視頻信號經(jīng)A/D轉換為圖像數(shù)字量，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在波門的范圍內依照地址產(chǎn)生器的地址按照一定的順序存入雙端口存儲器DPRAM。

FLASH用作存放開機自舉程序的機器以及有關參數(shù)數(shù)據(jù)。

SDRAM主要用作存儲以DMA方式從雙端口存儲器DPRAM傳輸過來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

TMS320？C6713執(zhí)行芯片內程序存儲區(qū)的程序，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理，這種處理包括目標與背景的分、隨機獨立噪聲信號的剔除、目標的形心計算及跟蹤、圖像的匹配計算及跟蹤和動目標檢測、警戒等。它還完成操控狀態(tài)的循環(huán)檢測、與主機進行數(shù)據(jù)通信等工作。

波門電路的作用是根據(jù)波形數(shù)據(jù)形成空心波門和實心波門?？招牟ㄩT送至視頻復合電路供顯示用；實心波門分為場實心波門和行實門波門，可用作選通或作形成圖像數(shù)據(jù)的存儲地址。

接口部分的電路用雙端口存儲器構成，其作用是實現(xiàn)與主機的數(shù)據(jù)中轉傳輸。

視頻復合電路的作用是將波門、電十字線、視頻信號復合起來，通過視頻轉換電路，將圖像轉換為VGA制式圖像供監(jiān)視器顯示。

2.2.2 主要工作流程

工作流程簡圖如圖3所示。系統(tǒng)開機后，F(xiàn)LASH內的程序機器碼自舉到DSP內部的程序存儲區(qū)，然后TMS320C6713執(zhí)行程序進行一些初始化，接著判斷操作控鍵的狀態(tài)以確定進入哪種跟蹤處理方式。本裝置的工作方式或跟蹤方式主要有三種：形心跟蹤、匹配跟蹤和動目標檢測警戒跟蹤。

采用形心跟蹤技術時，DSP首先對波門內的數(shù)字圖像進行處理得到一閾值，根據(jù)該閾值再從波門內的數(shù)字圖像中分出目標象元。然后根據(jù)分出的全球目標象元位置數(shù)據(jù)和目標象元的總點數(shù)，計算出目標的形心。該形心數(shù)據(jù)作為下一場波門的跟蹤數(shù)據(jù)；而目標的形心相對于視場 中心的位置數(shù)據(jù)，則作為目標的偏差數(shù)據(jù)。

在匹配跟蹤的過程中，DSP將新一場波門內的圖像與原始模板圖像進行逐點比對，計算出新一場波門內圖像與原始模板圖像的最佳匹配位置數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最佳匹配位置數(shù)據(jù)，形成一場的跟蹤波門數(shù)據(jù)和測偏數(shù)據(jù)。

TMS320C6713在進行了當場波門內圖像數(shù)據(jù)的DMA傳輸和圖像數(shù)據(jù)處理之后，形成下一場的波門位置數(shù)據(jù)和波門大小數(shù)據(jù)，并向雙端口存儲器送去波門或目標相對于視頻中心的位置數(shù)據(jù)和其它有關的狀態(tài)字（目標相對于視場中心的上下左右的狀態(tài)字），然后返回進入下一場的判斷和處理。如此循環(huán)往復，即可實現(xiàn)對目標的搜索、捕獲、測量、跟蹤等。endprint

2.2.3 視頻處理方案

該模塊由DSP、FPGA和數(shù)據(jù)緩存器組成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加電自舉，初始化接口芯片；

（2）通過I2C接口設置攝像頭的寄存器；

（3）對圖像進行預處理，提高成像質量。

CPLD在本系統(tǒng)中的作用有：

（1）提供圖像采集、存儲與傳輸?shù)墓ぷ鲿r序；

（2）協(xié)同DSP實現(xiàn)復雜的組合邏輯控制電路；

（3）實現(xiàn)標準的VGA接口，外接LCD顯示器。

本系統(tǒng)的自動曝光控制和白平衡處理實現(xiàn)方法如下：

采集一幀RGB原始圖像，在6711B中先計算出整幅圖像亮度的均值m（Y）；然后對圖像做直方圖均衡化，再計算出此時圖像的亮度均值并作為一個閾值Yt。將m（Y）與Yt進行比較，如果m（Y） < Yt，則調大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光時間；反之，減小曝光時間。白平衡的調節(jié)與此相似，根據(jù)原始圖像與均衡化后的Cr和Cb的均值，通過HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）調節(jié)紅色、藍色通道的增益。YCrCb和RGB的轉換關系式為：

2.3 視頻傳輸模塊

本系統(tǒng)圖像傳輸模塊采用千兆網(wǎng)傳輸，選用高度集成芯片RTL8019AS，該芯片集成了額IEEE802.3協(xié)議標準的介質訪問控制子層和物理層的性質，具有全雙工通信接口。

假設系統(tǒng)同時傳輸兩幅30幀640×480大小10bit視頻圖像，最大數(shù)據(jù)量為640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆網(wǎng)最高支持1000Mbps的傳輸速率，充分滿足圖像實時傳輸速率。實際傳輸過程中，為確保每幀圖像的完整，采用異步傳輸模式，圖像序列之間加入了幀同步信號，使帶寬利用率有所下降，有必要留下余量。

3 結果

對攝像頭獲取的某型飛機的視頻圖像，利用該圖像綜合處理系統(tǒng)進行了跟蹤處理，結果如下圖4所示。

4 結語

本文設計的視頻處理系統(tǒng)，應用在某型導彈模擬訓練裝置上，滿足該裝置的各項指標要求，且易于操作，性能穩(wěn)定，功耗低。該系統(tǒng)具有較高的工程實用性，受到用戶的高度評價。

參考文獻

[1]李方慧，王飛，何佩琨，等.TMS320C6000系列DSP原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：8-11.

[2]畢明德，孫志剛，肖力.基于TMS320C6713的圖像采集處理系統(tǒng)設計[J].電器自動化，2009：31（04）：42-43.

[3]Rafael C.Gonzalez.數(shù)字圖像處理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.1.

[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太網(wǎng)芯片的圖像傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡接口設計[J].電子制作，2013.2：118-119.endprint

2.2.3 視頻處理方案

該模塊由DSP、FPGA和數(shù)據(jù)緩存器組成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加電自舉，初始化接口芯片；

（2）通過I2C接口設置攝像頭的寄存器；

（3）對圖像進行預處理，提高成像質量。

CPLD在本系統(tǒng)中的作用有：

（1）提供圖像采集、存儲與傳輸?shù)墓ぷ鲿r序；

（2）協(xié)同DSP實現(xiàn)復雜的組合邏輯控制電路；

（3）實現(xiàn)標準的VGA接口，外接LCD顯示器。

本系統(tǒng)的自動曝光控制和白平衡處理實現(xiàn)方法如下：

采集一幀RGB原始圖像，在6711B中先計算出整幅圖像亮度的均值m（Y）；然后對圖像做直方圖均衡化，再計算出此時圖像的亮度均值并作為一個閾值Yt。將m（Y）與Yt進行比較，如果m（Y） < Yt，則調大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光時間；反之，減小曝光時間。白平衡的調節(jié)與此相似，根據(jù)原始圖像與均衡化后的Cr和Cb的均值，通過HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）調節(jié)紅色、藍色通道的增益。YCrCb和RGB的轉換關系式為：

2.3 視頻傳輸模塊

本系統(tǒng)圖像傳輸模塊采用千兆網(wǎng)傳輸，選用高度集成芯片RTL8019AS，該芯片集成了額IEEE802.3協(xié)議標準的介質訪問控制子層和物理層的性質，具有全雙工通信接口。

假設系統(tǒng)同時傳輸兩幅30幀640×480大小10bit視頻圖像，最大數(shù)據(jù)量為640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆網(wǎng)最高支持1000Mbps的傳輸速率，充分滿足圖像實時傳輸速率。實際傳輸過程中，為確保每幀圖像的完整，采用異步傳輸模式，圖像序列之間加入了幀同步信號，使帶寬利用率有所下降，有必要留下余量。

3 結果

對攝像頭獲取的某型飛機的視頻圖像，利用該圖像綜合處理系統(tǒng)進行了跟蹤處理，結果如下圖4所示。

4 結語

本文設計的視頻處理系統(tǒng)，應用在某型導彈模擬訓練裝置上，滿足該裝置的各項指標要求，且易于操作，性能穩(wěn)定，功耗低。該系統(tǒng)具有較高的工程實用性，受到用戶的高度評價。

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[3]Rafael C.Gonzalez.數(shù)字圖像處理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.1.

[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太網(wǎng)芯片的圖像傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡接口設計[J].電子制作，2013.2：118-119.endprint

2.2.3 視頻處理方案

該模塊由DSP、FPGA和數(shù)據(jù)緩存器組成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加電自舉，初始化接口芯片；

（2）通過I2C接口設置攝像頭的寄存器；

（3）對圖像進行預處理，提高成像質量。

CPLD在本系統(tǒng)中的作用有：

（1）提供圖像采集、存儲與傳輸?shù)墓ぷ鲿r序；

（2）協(xié)同DSP實現(xiàn)復雜的組合邏輯控制電路；

（3）實現(xiàn)標準的VGA接口，外接LCD顯示器。

本系統(tǒng)的自動曝光控制和白平衡處理實現(xiàn)方法如下：

采集一幀RGB原始圖像，在6711B中先計算出整幅圖像亮度的均值m（Y）；然后對圖像做直方圖均衡化，再計算出此時圖像的亮度均值并作為一個閾值Yt。將m（Y）與Yt進行比較，如果m（Y） < Yt，則調大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光時間；反之，減小曝光時間。白平衡的調節(jié)與此相似，根據(jù)原始圖像與均衡化后的Cr和Cb的均值，通過HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）調節(jié)紅色、藍色通道的增益。YCrCb和RGB的轉換關系式為：

2.3 視頻傳輸模塊

本系統(tǒng)圖像傳輸模塊采用千兆網(wǎng)傳輸，選用高度集成芯片RTL8019AS，該芯片集成了額IEEE802.3協(xié)議標準的介質訪問控制子層和物理層的性質，具有全雙工通信接口。

假設系統(tǒng)同時傳輸兩幅30幀640×480大小10bit視頻圖像，最大數(shù)據(jù)量為640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆網(wǎng)最高支持1000Mbps的傳輸速率，充分滿足圖像實時傳輸速率。實際傳輸過程中，為確保每幀圖像的完整，采用異步傳輸模式，圖像序列之間加入了幀同步信號，使帶寬利用率有所下降，有必要留下余量。

3 結果

對攝像頭獲取的某型飛機的視頻圖像，利用該圖像綜合處理系統(tǒng)進行了跟蹤處理，結果如下圖4所示。

4 結語

本文設計的視頻處理系統(tǒng)，應用在某型導彈模擬訓練裝置上，滿足該裝置的各項指標要求，且易于操作，性能穩(wěn)定，功耗低。該系統(tǒng)具有較高的工程實用性，受到用戶的高度評價。

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[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太網(wǎng)芯片的圖像傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡接口設計[J].電子制作，2013.2：118-119.endprint